JP6843551B2 - Methods and systems for sensing the position of the ingot in the mold with a reduced cross-sectional area - Google Patents

Methods and systems for sensing the position of the ingot in the mold with a reduced cross-sectional area Download PDF

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Description

(関連出願の相互参照)
本願は、2015年8月24日に出願された米国仮特許出願第14/834,189号の利益を主張するものであり、その開示の全体は、参照により本明細書中に援用される。
(Cross-reference of related applications)
This application claims the interests of US Provisional Patent Application No. 14 / 834,189 filed on August 24, 2015, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference.

(本発明の背景)
産業界においては、単一の操作プロセスにおいて原料から直接的に活性金属または耐火性金属および/またはそれらの合金の高品質なインゴッドを生成するために、真空冶金溶解システムが構築され、操作されてきた。いくつかのこのようなシステムにおいては、原料は、鋳型の少なくとも一部分を包囲している加熱誘導コイルを有している開放頂部および開放底部の鋳型の中に提供され得る。原料(または供給材料)は、チタン、ジルコニウム、ニッケル、コバルト、および/またはそれらの合金等の金属であり得、固体形態または融解形態で真空冶金システムの鋳型の中に提供され得る。融解形態にされるとき、これらの金属は、一般的には誘導溶解坩堝を作製するために使用される酸化物耐火物によって汚され得る。それ故、汚れを回避するために、これらの金属は、典型的には、水冷銅製容器内で溶解されるが、この溶解技術は、熱的に約25%効率的であるにすぎない。
(Background of the present invention)
In industry, vacuum metallurgical melting systems have been constructed and operated to produce high quality ingots of active or refractory metals and / or their alloys directly from raw materials in a single operating process. It was. In some such systems, the raw material may be provided in an open top and open bottom mold having a heating induction coil surrounding at least a portion of the mold. The raw material (or feed material) can be a metal such as titanium, zirconium, nickel, cobalt, and / or alloys thereof and can be provided in solid or molten form in a mold of a vacuum metallurgy system. When in melted form, these metals can be polluted by oxide refractories commonly used to make inductive melting crucibles. Therefore, to avoid fouling, these metals are typically melted in water-cooled copper containers, but this melting technique is only about 25% efficient thermally.

真空冶金溶解システムを用いて作製された活性金属/合金または耐火性金属/合金の比較的小さな断面積のインゴット、バー、鋳物が、航空宇宙業界、自動車業界、エネルギー業界、および医療業界にわたって使用されている。これらは、無数の形状に機械加工または鍛造され得る。これらは、ワイヤへと引き伸ばされるかまたは粉末状金属にされることになる原料として使用され得る。このような小さな断面積のバーは、典型的には、高温へと徐々に加熱されてその後に所望のサイズに鍛造されるより大きなインゴットから作製される。しかしながら、鍛造プロセスは、かなりの収率損失につながり得る(典型的には、使用可能な金属の60−70%の収率である)。これは、部分的には、多数の鍛造ステップの後のインゴットの端部の変形に起因する。さらに、インゴットが鍛造待ち行列においてそれ自身の順番を待つために数か月かかり得る。なおもさらに、大きなインゴットの比較的小さな表面積対体積比およびそれに関連付けられた冷却速度に起因して、最終生成物の粒径は、所望されるものまたは必要とされるものに比べて、均一性がより大きかったりまたはより小さかったりし得る。 Ingots, bars and castings with a relatively small cross section of active metal / alloy or refractory metal / alloy made using a vacuum metallurgical melting system are used across the aerospace, automotive, energy and medical industries. ing. These can be machined or forged into a myriad of shapes. These can be used as raw materials that will be stretched into wires or made into powdered metals. Bars with such a small cross-sectional area are typically made from larger ingots that are gradually heated to high temperatures and then forged to the desired size. However, the forging process can lead to significant yield losses (typically 60-70% yield of available metals). This is partly due to the deformation of the end of the ingot after a number of forging steps. In addition, it can take several months for the ingot to wait for its own turn in the forging queue. Even more, due to the relatively small surface area-to-volume ratio of large ingots and the associated cooling rate, the particle size of the final product is more uniform than desired or required. Can be larger or smaller.

粉末状金属から作製されたパーツは、ますます一般的になり所望されるようになっている。粉末状金属は、通常、融解材料から鋳造されたインゴットまたは鋳物を研磨することによって、または、再度溶解し噴霧することによって、形成される。その後、パーツが、粉末を直接的に最終形態へと統合することによって、または、その後に機械加工される予備形態へと統合することによってのいずれかにより、生成され得る。ほとんどの用途においては、通常、各粉末粒子が同じ組成のものであることは重要である。これは、そこから粉末が形成される金属のインゴットまたは鋳物が均一であることを保証することによってのみ達成され得、そしてこれは、そこからインゴットまたは鋳物が作製される融解金属が均一である場合にのみ達成され得る。 Parts made from powdered metals are becoming more and more common and desired. The powdered metal is usually formed by polishing an ingot or casting cast from a molten material or by remelting and spraying. The part can then be produced either by integrating the powder directly into its final form or by integrating it into a preliminary form that is subsequently machined. For most applications, it is usually important that each powder particle has the same composition. This can only be achieved by ensuring that the metal ingot or casting from which the powder is formed is uniform, and this is the case if the molten metal from which the ingot or casting is made is uniform. Can only be achieved.

融解金属(および/または合金)の均一性を保証するための最も一般的な方法は、融解金属を鋳型に注入する前に、および/または、鋳型内にインゴットとして鋳造される融解金属が存在する時間の間に、融解金属を攪拌することである。別の方法は、誘導コイルを使用するものであり、出願人に譲渡された1999年12月28日付けのHaunに対する米国特許第6,006,821において議論されており、該米国特許は、参照により本明細書中に援用される。また、直列に無線接続された加熱要素を有する単一の電力源を使用する加熱の代替的な実装が、出願人に譲渡され2013年9月18日に出願された米国特許出願第14/031,008号において記載されており、該米国特許出願は、参照により本明細書中に援用される。 The most common method for ensuring the uniformity of the molten metal (and / or alloy) is to have the molten metal cast as an ingot before and / or in the mold before injecting the molten metal into the mold. During the time, the molten metal is agitated. Another method is to use an induction coil, which is discussed in US Pat. No. 6,006,821 to Haun dated 28 December 1999, which was assigned to the applicant, which US Pat. Incorporated herein by. Also, an alternative implementation of heating using a single power source with heating elements wirelessly connected in series was assigned to the applicant and filed on September 18, 2013, U.S. Patent Application No. 14/031. , 008, the US patent application is incorporated herein by reference.

チタン、ジルコニウム、ニッケル、コバルト、アルミニウム、および/またはその他の金属等の金属間化合物から作製される比較的大きなインゴットを鋳造しようとする試みに起因する追加的な複雑性(そのようなインゴットが、小さな機械的欠陥、大きな機械的欠陥、および/または壊滅的な機械的欠陥に陥る傾向があり得るという点)が生じ得る。いくつかの場合においては、インゴットが、鋳造された後に冷却されて炉から回収される際に、インゴットの外部/表面とインゴットの内部/コアとの間に温度勾配が生じ得る。いくつかの金属および合金では、冷却の速度および温度勾配は、十分に極端であり得るか、または、十分に相違し得、その結果、インゴットがひび割れ、壊れ、またはそれ自身から剪断され得、それにより、インゴットを産業上の使用または比較的小さなインゴットにする後処理のために不適合で安全ではないものにする。 Additional complexity due to attempts to cast relatively large ingots made from intermetallic compounds such as titanium, zirconium, nickel, cobalt, aluminum, and / or other metals (such ingots, Small mechanical defects, large mechanical defects, and / or the tendency to fall into catastrophic mechanical defects) can occur. In some cases, a temperature gradient can occur between the outside / surface of the ingot and the inside / core of the ingot as the ingot is cooled after casting and then recovered from the furnace. For some metals and alloys, the rate of cooling and the temperature gradient can be extreme enough or different enough that the ingot can crack, break, or be sheared from itself, it. Makes the ingot incompatible and unsafe for industrial use or post-treatment to make it a relatively small ingot.

これらの理由の全てにより、インゴットをそれらの所望の最終的な断面サイズにより近くなるように鋳造することが望ましく、これは、小さな断面のインゴットに対してこれまで成し遂げられて来なかった離れ業である。さらに、当業者にとって明白な理由により、インゴットができるだけ均一であることを保証することが望ましい。 For all of these reasons, it is desirable to cast the ingots closer to their desired final cross-section size, a feat that has never been accomplished for small cross-section ingots. .. In addition, it is desirable to ensure that the ingots are as uniform as possible for reasons obvious to those skilled in the art.

米国特許第6,006,821号明細書U.S. Pat. No. 6,006,821

(本発明の概要)
本開示の発明は、誘導溶解コイルによって包囲されたセグメント化された水冷鋳型内のインゴットの位置を決定するための方法およびシステムを記載している。特に、本開示の鋳型およびコイルアセンブリは、比較的小さなまたは低減された断面寸法を有するインゴットを生成するために使用される。このようなインゴットは、例えばチタンアルミナイドまたは形状記憶ニッケルチタン等の複雑な活性または耐火性の金属合金から作製され得る。鋳型およびその内容物の誘導加熱は、高品質のインゴット(一般的に内部ボイドが無く、最小限の形成後の表面清掃を要求するインゴット)が生成され得ることを保証し得る。部分的に高品質のインゴットの生成は、インゴットの頂部が溶解のために鋳型の最適ゾーン内に一貫して配置されることを保証することにより、補助される。しかしながら、小さなまたは低減された断面積を採用するこのようなシステムにおいては、真空冶金チャンバ内に限られた視野角しか存在しないことがあり得、それにより、鋳型内のインゴットの位置の視覚的監視および後続の制御が問題含みになり得る。本開示は、誘導溶解コイル(誘導電源に接続されている)内および同調コンデンサ内の電流振幅または電流周波数を監視することにより、鋳型内のインゴットの位置を感知するための構造および手段を提供する。誘導溶解コイルの電流は、最適な溶解条件に較正される。追加的な材料が鋳型の頂部に追加されると、インゴットは、誘導溶解コイルの電流を許容範囲内に維持するために移動させられる。
(Outline of the present invention)
The invention of the present disclosure describes methods and systems for determining the position of an ingot within a segmented water-cooled mold surrounded by an induction melting coil. In particular, the mold and coil assemblies of the present disclosure are used to produce ingots with relatively small or reduced cross-sectional dimensions. Such ingots can be made from complex active or refractory metal alloys such as titanium aluminide or shape memory nickel titanium. Induction heating of the mold and its contents can ensure that high quality ingots (generally free of internal voids and requiring minimal post-formation surface cleaning) can be produced. Partially high quality ingot production is aided by ensuring that the top of the ingot is consistently placed within the optimum zone of the mold for melting. However, in such systems that employ a small or reduced cross-sectional area, there may be only a limited viewing angle within the vacuum metallurgical chamber, thereby visual monitoring of the position of the ingot in the mold. And subsequent control can be problematic. The present disclosure provides structures and means for sensing the position of an ingot in a mold by monitoring the current amplitude or frequency in an induction coil (connected to an induction power source) and in a tuning capacitor. .. The current of the induction melting coil is calibrated to the optimum melting conditions. When additional material is added to the top of the mold, the ingot is moved to keep the current in the induction melting coil within acceptable limits.

いくつかの実施形態において、本開示は、真空冶金溶解システムに関しており、該システムは、入力端部および抽出端部を有するセグメント化された鋳型であって、融解金属または合金を受け取り、インゴットへと鋳造するように構成されている鋳型;セグメント化された鋳型の周囲に少なくとも部分的に位置付けられた一次加熱誘導コイルであって、セグメント化された鋳型の内部領域内に熱を誘導するように構成されている一次加熱誘導コイル;一次加熱誘導コイルに電気的に結合され、かつ、該一次加熱誘導コイルに電力供給する加熱電源;少なくとも一次加熱誘導コイル、セグメント化された鋳型、および電源を含む電気回路を同調させるように構成されている同調コンデンサ;同調コンデンサと一次加熱誘導コイルとの間の電気的結合またはコンダクタの周囲に少なくとも部分的に位置付けられた少なくとも1つの感知コイル;インゴットおよび/または融解金属または合金をセグメント化された鋳型内で支持および移動させるように位置付けられたインゴット位置アクチュエータ;および、少なくとも1つの感知コイルおよびインゴット位置アクチュエータの少なくとも両方に操作可能に結合されたインゴット位置コントローラであって、インゴット位置アクチュエータに、融解金属または合金をセグメント化された鋳型内で移動させるように命令するように構成されているインゴット位置コントローラ、を有する。 In some embodiments, the present disclosure relates to a vacuum metallurgical melting system, which is a segmented mold with an input end and an extraction end that receives a molten metal or alloy and into an ingot. A mold configured to be cast; a primary heating induction coil located at least partially around the segmented mold, configured to direct heat into the internal region of the segmented mold. Primary heating induction coil; a heating power source that is electrically coupled to the primary heating induction coil and powers the primary heating induction coil; electricity including at least the primary heating induction coil, a segmented mold, and a power source. Tuning capacitors configured to tune the circuit; at least one sensing coil located at least partially around the electrical coupling or conductor between the tuning capacitor and the primary heating induction coil; ingots and / or melting An ingot position actuator positioned to support and move a metal or alloy within a segmented mold; and an ingot position controller operably coupled to at least one sensing coil and at least both ingot position actuators. It has an ingot position controller, which is configured to instruct the ingot position actuator to move the molten metal or alloy within a segmented mold.

いくつかの局面において、真空冶金溶解システムは、金属および/または合金を固体形態または融解形態のいずれかまたは両方でセグメント化された鋳型の入力端部に提供するように構成されている材料供給をさらに含み得る。溶解システムは、材料供給を有し得、該材料供給は、セグメント化された鋳型の入力端部の近くに位置付けられた坩堝であって、融解金属または合金をセグメント化された鋳型の中に提供するように構成されている坩堝;坩堝内で金属または合金を溶解するように構成されている坩堝加熱システム;および、坩堝加熱システムに電気的に結合され電力供給する二次電源、をさらに含む。このような局面において、坩堝加熱システムは、可動プラズマアークトーチ、電子ビーム銃、二次加熱誘導コイル、またはこれらの組み合わせをさらに含み得る。溶解システムのセグメント化された鋳型は、垂直に向けられ得、セグメント化された鋳型の主軸に沿って延びているセグメンテーションをさらに有し得る。少なくとも1つの感知コイルは、加熱電源と少なくとも1つの一次加熱誘導コイルとの間の電気的結合またはコンダクタ内で検出された電力振幅および電力周波数のいずれかまたは両方を、インゴット位置コントローラに提供される電気的制御信号に変換するように構成され得る。さらに、インゴットの頂部が一次加熱誘導コイルの近くに位置付けられ、それにより、インゴットの頂部が溶解されるかまたは融解状態を維持されることが可能になるように、インゴットをセグメント化された鋳型内で移動させることを目的として、感知コイルの電気的制御信号は、インゴット位置コントローラを自動的に操縦するためにインゴット位置コントローラによって使用され得る。代替的に、感知コイルの電気的制御信号は、インゴットの頂部が一次加熱誘導コイルの近くに位置付けられ、それにより、融解されるように、セグメント化された鋳型内でインゴットを移動させるように、インゴット位置アクチュエータを操縦するために操作者の相互作用を介して読み取りおよび使用され得る。いくつかの局面において、セグメント化された鋳型は、約7.1平方インチまたはそれ未満の断面積を有し得る。その他の局面において、セグメント化された鋳型は、約3インチまたはそれ未満の幅または直径を有し得る。 In some aspects, the vacuum metallurgical melting system provides a material supply that is configured to provide the metal and / or alloy to the input end of the mold segmented in either or both solid and melt forms. Further may be included. The melting system may have a material supply, which is a crucible located near the input end of the segmented mold, providing the molten metal or alloy in a segmented mold. It further includes a crucible configured to do so; a crucible heating system configured to melt a metal or alloy in the crucible; and a secondary power source that is electrically coupled and powered by the crucible heating system. In such an aspect, the crucible heating system may further include a movable plasma arc torch, an electron beam gun, a secondary heating induction coil, or a combination thereof. The segmented template of the melting system can be oriented vertically and may further have segmentation extending along the main axis of the segmented template. The at least one sensing coil provides the ingot position controller with either or both of the electrical coupling between the heating power source and the at least one primary heating induction coil or the power amplitude and power frequency detected in the conductor. It can be configured to translate into an electrical control signal. In addition, the ingot is located in a segmented mold so that the top of the ingot is positioned near the primary heating induction coil, which allows the top of the ingot to be melted or maintained in a melted state. The electrical control signal of the sensing coil can be used by the ingot position controller to automatically steer the ingot position controller for the purpose of moving in. Alternatively, the electrical control signal of the sensing coil is such that the top of the ingot is located near the primary heating induction coil, thereby moving the ingot within the segmented mold so that it melts. It can be read and used through operator interaction to steer the ingot position actuator. In some aspects, the segmented mold can have a cross-sectional area of about 7.1 square inches or less. In other aspects, the segmented mold can have a width or diameter of about 3 inches or less.

別の局面において、本開示は、真空冶金システムの鋳型内のインゴットの位置を決定するための方法に関する。本方法は、金属および/または合金をセグメント化された鋳型の中に提供するステップであって、セグメント化された鋳型は、開放頂部および開放底部の鋳型である、ステップ;セグメント化された鋳型内の金属および/または合金を、加熱誘導コイルを用いて該金属および/または合金の融点まで加熱するステップ;融解金属および/または合金を融解状態に維持し、セグメント化された鋳型内の金属および/または合金の任意の固体部分を溶解して融解状態にするステップ;融解金属および/または合金を用いてセグメント化された鋳型内にインゴットを形成するステップ;および、感知コイルを用いてセグメント化された鋳型内のインゴットの位置を決定するステップ、を含み得る。 In another aspect, the present disclosure relates to a method for determining the position of an ingot within a mold of a vacuum metallurgy system. The method is a step of providing a metal and / or alloy into a segmented mold, wherein the segmented mold is an open top and open bottom mold, step; in a segmented mold. The step of heating the metal and / or alloy to the melting point of the metal and / or alloy using a heating induction coil; keeping the molten metal and / or alloy in a molten state and the metal and / or metal in a segmented mold. Or the step of melting any solid portion of the alloy into a molten state; the step of forming an ingot in a template segmented with a molten metal and / or alloy; and segmented with a sensing coil. It may include a step of determining the position of the ingot in the mold.

加熱誘導コイルおよび高周波数電源は、コンデンサに電気的に接続されており、これは、誘導コイル、鋳型およびその内容物、該コンデンサ、および電源から成る電気回路を、鋳型内での溶解のために最適な電力レベルに同調させるように動作可能である。さらに、感知コイルは、加熱誘導コイルとコンデンサとの間のコンダクタにおける電流を検出するように構成されており、誘導溶解コイルおよびコンデンサを流れる電流は、感知コイル回路において比例する電流または周波数を誘導する。その他の局面において、感知コイルは、感知コイルによって検出された電流の変化を測定するように構成されている電子的位置コントローラと直列に接続され得る。本方法は、電子的位置コントローラが、感知コイルにおいて検出された電流を電気的制御信号に変換すること;インゴット位置アクチュエータに、セグメント化された鋳型内のインゴットを加熱誘導コイルの近くに移動させるように命令すること;および、インゴットの頂部を融解状態に維持すること、をさらに含み得る。いくつかの局面において、電子的位置コントローラは、操作者の相互作用を介してインゴット位置アクチュエータに命令し得る。その他の局面において、電子的位置コントローラは、自動フィードバックループを介してインゴット位置アクチュエータに命令し得る。本方法は、融解金属および/または合金の一部をセグメント化された鋳型の頂部に注入するように構成されている一次溶解容器内で金属および/合金を溶解させることをさらに含み得る。その他の局面において、本方法は、固体状態の供給材料をセグメント化された鋳型の頂部に送達するように構成されている一次供給部を使用することをさらに含み得る。その他の局面において、電子的制御信号は、加熱誘導コイルに供給される電力を調整し、それにより、鋳型内のインゴットの加熱の度合いを調整するために使用され得る。さらに、セグメント化された鋳型の中への融解金属および/または合金の注入速度は、セグメント化された鋳型内のインゴットの決定された位置に従って調整され得る。最後に、本方法は、セグメント化された鋳型からインゴットを回収することを含み得、形成されたインゴットは、低減された断面積を有し得る。
本明細書は、例えば、以下の項目を提供する。
(項目1)
真空冶金システムであって、上記システムは、
入力端部および抽出端部を有するセグメント化された鋳型であって、融解金属または合金を受け取り、インゴットへと鋳造するように構成されている鋳型と、
上記セグメント化された鋳型の周囲に少なくとも部分的に位置付けられた一次加熱誘導コイルであって、上記セグメント化された鋳型の内部領域内に熱を誘導するように構成されている一次加熱誘導コイルと、
上記一次加熱誘導コイルに電気的に結合され、かつ、上記一次加熱誘導コイルに電力供給する加熱電源と、
少なくとも上記一次加熱誘導コイル、上記セグメント化された鋳型、および上記電源を含む電気回路を同調させるように構成されている同調コンデンサと、
上記同調コンデンサと上記一次加熱誘導コイルとの間の電気的コンダクタの周囲に少なくとも部分的に位置付けられた少なくとも1つの感知コイルと、
上記インゴットおよび/または融解金属または合金を上記セグメント化された鋳型内で支持および移動させるように位置付けられたインゴット位置アクチュエータと、
上記少なくとも1つの感知コイルおよび上記インゴット位置アクチュエータの少なくとも両方に操作可能に結合されたインゴット位置コントローラであって、融解金属または合金を上記セグメント化された鋳型内で移動させるように上記インゴット位置アクチュエータに命令するように構成されているインゴット位置コントローラと
を含む、システム。
(項目2)
金属および/または合金を固体形態または融解形態のいずれかまたは両方で上記セグメント化された鋳型の上記入力端部に提供するように構成されている材料供給をさらに含む、上記項目に記載のシステム。
(項目3)
上記材料供給は、
上記セグメント化された鋳型の上記入力端部の近くに位置付けられた坩堝であって、融解金属または合金を上記セグメント化された鋳型の中に提供するように構成されている坩堝と、
上記坩堝内で金属または合金を溶解するように構成されている坩堝加熱システムと、
上記坩堝加熱システムに電気的に結合されており、上記坩堝加熱システムに電力供給する、二次電源と
をさらに含む、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目4)
上記坩堝加熱システムは、可動プラズマアークトーチ、電子ビーム銃、二次加熱誘導コイル、またはこれらの組み合わせをさらに含む、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目5)
上記セグメント化された鋳型は、垂直に向けられ、上記セグメント化された鋳型の主軸に沿って延びているセグメンテーションを有する、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目6)
上記少なくとも1つの感知コイルは、上記加熱電源と上記少なくとも1つの一次加熱誘導コイルとの間の上記電気的コンダクタ内で検出された電流振幅および電流周波数のいずれかまたは両方を、上記インゴット位置コントローラに提供される電気的制御信号に変換するように構成されている、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目7)
上記感知コイルの電気的制御信号は、上記インゴットの頂部が上記一次加熱誘導コイルの近くに位置付けられ、それにより、融解されるように、上記インゴットを上記セグメント化された鋳型内で移動させるように、上記インゴット位置アクチュエータを自動的に操縦するために上記インゴット位置コントローラによって使用される、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目8)
上記感知コイルの電気的制御信号は、上記インゴットの頂部が上記一次加熱誘導コイルの近くに位置付けられ、それにより、融解されるように、上記インゴットを上記セグメント化された鋳型内で移動させるように、上記インゴット位置アクチュエータを操縦するために操作者の相互作用を介して使用される、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目9)
上記セグメント化された鋳型は、約7.1平方インチまたはそれ未満の断面積を有する、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目10)
上記セグメント化された鋳型は、約3インチまたはそれ未満の幅を有する、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目11)
真空冶金システムの鋳型内のインゴットの位置を決定するための方法であって、上記方法は、
金属および/合金をセグメント化された鋳型の中に提供することであって、上記セグメント化された鋳型は、開放頂部および開放底部の鋳型である、ことと、
上記セグメント化された鋳型内の金属および/または合金を加熱誘導コイルを用いて加熱することと、
融解金属および/または合金を融解状態に維持し、上記セグメント化された鋳型内の上記金属および/または合金の任意の固体部分を溶解して融解状態にすることと、
上記融解金属および/または合金を用いて上記セグメント化された鋳型内にインゴットを形成することと、
感知コイルを用いて上記セグメント化された鋳型内の上記インゴットの位置を決定することと
を含む、方法。
(項目12)
上記加熱誘導コイルおよび高周波数電源は、同調コンデンサに電気的に接続されており、上記方法は、
上記誘導コイル、上記鋳型およびその内容物、および上記電源から成る電気回路を、上記鋳型内での溶解のために最適な電力レベルに同調させること
をさらに含む、上記項目に記載の方法。
(項目13)
上記感知コイルは、上記加熱誘導コイルと上記同調コンデンサとの間のコンダクタにおける電流を検出するように構成され、誘導溶解コイルおよび上記同調コンデンサを流れる電流は、感知コイル回路において比例する電流または周波数を誘導する、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
(項目14)
上記感知コイルは、上記感知コイルによって検出された電流の変化を測定するように構成された電子的位置コントローラと直列に接続されている、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
(項目15)
上記電子的位置コントローラが、上記感知コイルにおいて検出された上記電流を電気的制御信号に変換することと、
インゴット位置アクチュエータに、上記セグメント化された鋳型内のインゴットを上記加熱誘導コイルの近くに移動させるように命令することと、
上記インゴットの頂部を融解状態に維持することと
をさらに含む、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
(項目16)
上記電子的位置コントローラは、操作者の相互作用を介して上記インゴット位置アクチュエータに命令する、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
(項目17)
上記電子的位置コントローラは、自動フィードバックループを介して上記インゴット位置アクチュエータに命令する、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
(項目18)
上記電子的位置コントローラが、上記感知コイルにおいて検出された上記電流を電気的制御信号に変換することと、
上記加熱誘導コイルに供給される電力を調整し、上記セグメント化された鋳型内の上記金属および/または合金を加熱する度合いを変化させることと
をさらに含む、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
(項目19)
上記セグメント化された鋳型内の上記インゴットの上記決定された位置に基づいて、上記セグメント化された鋳型の中への融解金属および/または合金の注入速度を調整することをさらに含む、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
(項目20)
上記インゴットを上記セグメント化された鋳型から回収することをさらに含み、上記インゴットは、低減された断面積を有する、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
(摘要)
真空冶金システムのセグメント化された鋳型内のインゴットの位置を感知するためのシステムおよび方法。誘導感知システムは、電力源と誘導加熱コイルの負荷との間の電流の変動を測定する。本システムおよび方法は、特に、鋳型が比較的低減された断面積または比較的小さな断面積を有する場合に溶解システムの鋳型内のインゴットの位置を決定するために適している。
The heating induction coil and high frequency power supply are electrically connected to a capacitor, which is used to melt the electrical circuit consisting of the induction coil, the mold and its contents, the capacitor, and the power supply in the mold. It can operate to tune to the optimum power level. In addition, the sensing coil is configured to detect current in the conductor between the heating induction coil and the capacitor, and the current flowing through the induction melting coil and the capacitor induces a proportional current or frequency in the sensing coil circuit. .. In other aspects, the sensing coil may be connected in series with an electronic position controller configured to measure the change in current detected by the sensing coil. In this method, the electronic position controller converts the current detected in the sensing coil into an electrical control signal; the ingot position actuator causes the ingot in the segmented mold to move closer to the heating induction coil. And to keep the top of the ingot in a thawed state. In some aspects, the electronic position controller may command the ingot position actuator through operator interaction. In other aspects, the electronic position controller may command the ingot position actuator via an automatic feedback loop. The method may further comprise melting the metal and / alloy in a primary melting vessel configured to inject a portion of the molten metal and / or alloy into the top of the segmented mold. In other aspects, the method may further comprise the use of a primary supply that is configured to deliver the solid feed material to the top of the segmented mold. In other aspects, the electronic control signal can be used to regulate the power delivered to the heating induction coil, thereby adjusting the degree of heating of the ingot in the mold. In addition, the rate of injection of molten metal and / or alloy into the segmented mold can be adjusted according to the determined position of the ingot in the segmented mold. Finally, the method may include recovering the ingot from the segmented template, and the formed ingot may have a reduced cross-sectional area.
The present specification provides, for example, the following items.
(Item 1)
It is a vacuum metallurgical system, and the above system is
A segmented mold with an input end and an extraction end that is configured to receive a molten metal or alloy and cast it into an ingot.
A primary heating induction coil that is at least partially positioned around the segmented mold and is configured to induce heat within the internal region of the segmented mold. ,
A heating power source that is electrically coupled to the primary heating induction coil and supplies electric power to the primary heating induction coil.
With at least the primary heating induction coil, the segmented mold, and a tuning capacitor configured to tune the electrical circuit including the power supply.
At least one sensing coil located at least partially around the electrical conductor between the tuning capacitor and the primary heating induction coil.
With an ingot position actuator positioned to support and move the ingot and / or molten metal or alloy within the segmented mold,
An ingot position controller operably coupled to at least one of the sensing coils and at least both of the ingot position actuators to the ingot position actuator to move the molten metal or alloy within the segmented mold. A system that includes an ingot position controller that is configured to instruct.
(Item 2)
The system according to the above item, further comprising a material supply configured to provide the metal and / or alloy in either or both solid and melt forms to the input end of the segmented mold.
(Item 3)
The above material supply
A crucible located near the input end of the segmented mold and configured to provide a molten metal or alloy into the segmented mold.
A crucible heating system configured to melt a metal or alloy in the crucible,
The system according to any one of the above items, further including a secondary power source that is electrically coupled to the crucible heating system and supplies power to the crucible heating system.
(Item 4)
The system according to any one of the above items, wherein the crucible heating system further includes a movable plasma arc torch, an electron beam gun, a secondary heating induction coil, or a combination thereof.
(Item 5)
The system according to any one of the above items, wherein the segmented mold has segmentation that is oriented vertically and extends along the main axis of the segmented mold.
(Item 6)
The at least one sensing coil transfers any or both of the current amplitudes and current frequencies detected in the electrical conductor between the heating power source and the at least one primary heating induction coil to the ingot position controller. The system according to any one of the above items, which is configured to convert to an electrical control signal provided.
(Item 7)
The electrical control signal of the sensing coil is such that the top of the ingot is positioned near the primary heating induction coil, thereby moving the ingot within the segmented mold so that it is melted. , The system according to any one of the above items, used by the ingot position controller to automatically steer the ingot position actuator.
(Item 8)
The electrical control signal of the sensing coil is such that the top of the ingot is positioned near the primary heating induction coil, thereby moving the ingot within the segmented mold so that it is melted. , The system according to any one of the above items, which is used through operator interaction to steer the ingot position actuator.
(Item 9)
The system according to any one of the above items, wherein the segmented mold has a cross-sectional area of about 7.1 square inches or less.
(Item 10)
The system according to any one of the above items, wherein the segmented mold has a width of about 3 inches or less.
(Item 11)
A method for determining the position of an ingot in a mold of a vacuum metallurgy system, the above method
By providing the metal and / alloy in a segmented mold, the segmented mold is an open top and open bottom mold.
Heating the metal and / or alloy in the segmented mold using a heating induction coil and
To keep the molten metal and / or alloy in a molten state and melt any solid portion of the metal and / or alloy in the segmented mold into a molten state.
Forming an ingot in the segmented mold using the molten metal and / or alloy
A method comprising locating the ingot within the segmented mold using a sensing coil.
(Item 12)
The heating induction coil and the high frequency power supply are electrically connected to the tuning capacitor, and the above method
The method of the above item, further comprising tuning an electrical circuit consisting of the induction coil, the mold and its contents, and the power source to an optimum power level for melting in the mold.
(Item 13)
The sensing coil is configured to detect current in the conductor between the heating induction coil and the tuning capacitor, and the current flowing through the induction melting coil and the tuning capacitor has a proportional current or frequency in the sensing coil circuit. The method according to any one of the above items for inducing.
(Item 14)
The method according to any one of the above items, wherein the sensing coil is connected in series with an electronic position controller configured to measure a change in current detected by the sensing coil.
(Item 15)
The electronic position controller converts the current detected in the sensing coil into an electrical control signal.
Instructing the ingot position actuator to move the ingot in the segmented mold closer to the heating induction coil.
The method according to any one of the above items, further comprising maintaining the top of the ingot in a molten state.
(Item 16)
The method according to any one of the above items, wherein the electronic position controller commands the ingot position actuator via an operator interaction.
(Item 17)
The method according to any one of the above items, wherein the electronic position controller commands the ingot position actuator via an automatic feedback loop.
(Item 18)
The electronic position controller converts the current detected in the sensing coil into an electrical control signal.
The item according to any one of the above items, further comprising adjusting the power supplied to the heating induction coil to change the degree of heating of the metal and / or alloy in the segmented mold. Method.
(Item 19)
The item of the above, further comprising adjusting the injection rate of the molten metal and / or alloy into the segmented mold based on the determined position of the ingot in the segmented mold. The method according to any one item.
(Item 20)
The method according to any one of the above items, further comprising recovering the ingot from the segmented mold, wherein the ingot has a reduced cross-sectional area.
(Summary)
A system and method for sensing the position of an ingot within a segmented mold of a vacuum metallurgical system. The induction sensing system measures the variation in current between the power source and the load of the induction heating coil. The system and method are particularly suitable for determining the position of the ingot in the mold of the melting system, especially if the mold has a relatively reduced or relatively small cross-sectional area.

本開示の例示的局面が、下記図面を参照しながら、以下に詳細に記載される。
図1Aは、本開示の局面に従う、インゴットを形成するための真空冶金システムの第1の実施形態の概略的表現である。 図1Bは、本開示の局面に従う、インゴットを形成するための真空冶金システムの第2の実施形態の概略的表現である。 図1Cは、本開示の局面に従う、図1Bに示されているインゴットを形成するための真空冶金システムの実施形態の概略図である。 図2は、本開示の局面に従う、誘導感知システムを使用してインゴットを形成するためのプロセスを表現しているフローチャートである。 図3A−3Gは、本開示の局面に従う、真空冶金システムのためのセグメント化された鋳型の種々の図である。
Illustrative aspects of the present disclosure are described in detail below with reference to the drawings below.
FIG. 1A is a schematic representation of a first embodiment of a vacuum metallurgical system for forming an ingot according to aspects of the present disclosure. FIG. 1B is a schematic representation of a second embodiment of a vacuum metallurgical system for forming an ingot according to aspects of the present disclosure. FIG. 1C is a schematic representation of an embodiment of a vacuum metallurgical system for forming the ingot shown in FIG. 1B, according to aspects of the present disclosure. FIG. 2 is a flow chart illustrating the process for forming an ingot using a guidance sensing system according to aspects of the present disclosure. 3A-3G are various views of segmented molds for vacuum metallurgy systems according to aspects of the present disclosure.

本明細書中に開示されている多くの実施形態の完全な理解を提供するために、説明を目的として、本記載の全体に亘り、多数の特定の詳細が示される。しかしながら、当業者にとって、多くの実施形態がこれらの特定の詳細のうちのいくつかが無くても実施され得ることは明白であり得る。その他の例では、既知の構造およびデバイスは、記載されている実施形態の根底にある原理を曖昧にすることを回避するために、ダイヤグラム形式または概略図形式で示されている。 To provide a complete understanding of the many embodiments disclosed herein, a number of specific details are provided throughout this description for illustrative purposes. However, it may be apparent to those skilled in the art that many embodiments can be implemented without some of these particular details. In other examples, known structures and devices are shown in diagram or schematic format to avoid obscuring the underlying principles of the embodiments described.

本開示は、溶解システム(特に、真空冶金溶解炉システム)の鋳型内のインゴットの位置を決定するためのシステムおよび方法に関しており、インゴットは、システムの一部としての鋳型の構造、構成、および/またはその他の設計要件に起因して、容易に観察することができない。例示的な実施形態は、特に、セグメント化された鋳型(代替的にタンディッシュとしても参照される)内のインゴットの位置を決定するための誘導感知システムを含むシステムおよび方法を提供する。鋳型内のインゴットの位置を知ることにより、鋳型内のインゴットの正確な操縦(例えば、鋳型内のインゴットの位置を調整または変化させること、または、鋳型に向けられた溶解システム内の加熱デバイスの加熱特性を変更すること)が可能になる。本開示は、当該技術分野において伝統的に知られている標準的なサイズのインゴットまたはインゴットに対して低減された断面積を有するインゴットを形成するために特に有用であると考えられる。また、本開示は、その後に粉末(粉末の各微粒子の均一性に関心がある)に変換され得るインゴットおよび/または鋳物を形成するために有用であると考えられる。さらに、本開示は、標準的な製造のためのインゴットおよび/または鋳物、または、細長い鋳物を形成するために有用であると考えられる。多くの局面において、本開示は、チタン、ジルコニウム、ニッケル、コバルト、アルミニウム、およびこれらの組み合わせおよび合金から成るインゴットを形成するために特に適していると考えられる。 The present disclosure relates to a system and method for determining the position of an ingot within a mold of a melting system (particularly a vacuum metallurgical melting furnace system), which is the structure, configuration, and / of the mold as part of the system. Or due to other design requirements, it cannot be easily observed. An exemplary embodiment provides, among other things, a system and method comprising a guidance sensing system for determining the position of an ingot within a segmented template (also referred to as an alternative tundish). Accurate maneuvering of the ingot in the mold by knowing the position of the ingot in the mold (eg, adjusting or changing the position of the ingot in the mold, or heating the heating device in the melting system directed at the mold. (Changing the characteristics) becomes possible. The present disclosure is believed to be particularly useful for forming ingots of standard size traditionally known in the art or ingots with a reduced cross-sectional area. The present disclosure is also believed to be useful for forming ingots and / or castings that can subsequently be converted to powders (of interest in the uniformity of each fine particle of the powder). In addition, the present disclosure is believed to be useful for forming ingots and / or castings for standard production, or elongated castings. In many aspects, the present disclosure is considered particularly suitable for forming ingots composed of titanium, zirconium, nickel, cobalt, aluminum, and combinations and alloys thereof.

本開示の全体に亘って、「低減された断面」、「小さな断面」、および「標準的なサイズ」という用語は、互いに対するそれらの断面のサイズに基づくものとして使用されており、産業界において使用されている通りである。本明細書中で使用されるとき、「低減された断面」および/または「小さな断面」は、約3インチ(3in)またはそれ未満の幅または直径を有するインゴットまたは鋳物、および/または、典型的には7.1平方インチまたはそれ未満(≦7.1sq in)の断面積を有するインゴットまたは鋳物を参照する。例えば、低減された断面積の鋳型は、約3インチまたはそれ未満(≦3.0in)の直径を有する円形断面のインゴットを生成し得る。追加的にまたは代替的に、「低減された断面」および「小さな断面」という用語は、下記の効果、すなわち、最終的なインゴットにおけるひび割れを回避すること;最終生成物へのさらなる製造の間にインゴットが処理されているときに、該インゴットのひび割れを回避すること;インゴットが固化する間の制御された冷却を可能にすること;例えば比較的小さな粒径(例えば、100マイクロメートルまたはそれ未満)等の任意の所望の粒径を有するインゴットを生成すること、のうちの任意の1つ以上を達成するための任意の適切なサイズの鋳型を参照し得る。 Throughout this disclosure, the terms "reduced cross-section", "small cross-section", and "standard size" are used as being based on the size of their cross-section relative to each other and in industry. As used. As used herein, a "reduced cross section" and / or a "small cross section" is an ingot or casting having a width or diameter of about 3 inches (3 inches) or less, and / or typically. Refers to an ingot or casting having a cross-sectional area of 7.1 square inches or less (≦ 7.1 sq in). For example, a mold with a reduced cross-section can produce a circular cross-section ingot with a diameter of about 3 inches or less (≤3.0 in). Additional or alternative, the terms "reduced cross-section" and "small cross-section" have the following effects: avoiding cracking in the final ingot; during further production to the final product. Avoiding cracking of the ingot when it is being processed; allowing controlled cooling while the ingot solidifies; eg relatively small particle size (eg 100 micrometers or less) Any suitable size template may be referenced to achieve any one or more of the production of ingots having any desired particle size, such as.

さらに、本明細書中で使用されるとき、「標準的なサイズ」は、約3−6インチ(3−6in)またはそれよりも大きい幅または直径を有するインゴットまたは鋳物、および/または、典型的には7.1平方インチよりも大きい(>7.1sq in)断面積を有するインゴットおよび/または鋳物を参照する。追加的に、本明細書中で使用されるとき、「金属/合金」は、「金属、金属間化合物、および/または合金」およびそれらの変種を省略形で参照するために使用される。 In addition, as used herein, "standard size" is an ingot or casting with a width or diameter of about 3-6 inches (3-6 inches) or larger, and / or typically. Refers to ingots and / or castings having a cross-sectional area greater than 7.1 square inches (> 7.1 sq in). Additionally, as used herein, "metal / alloy" is used to refer abbreviated to "metals, intermetallic compounds, and / or alloys" and variants thereof.

特に、本開示の局面は、低減された断面積を有するインゴットを生成するためのシステムおよび方法を提供する。金属および/または合金の原料は、セグメント化された鋳型の中へと供給される。金属/合金の原料は、固体形態で、または、例えば坩堝等の容器内で溶解されている融解形態で、供給され得る。容器の周囲または下方に提供された誘導コイルは、セグメント化された鋳型内の融解金属/合金の電磁気的な加熱および/または攪拌を提供する。金属/合金が固体形態でセグメント化された鋳型の中へと(例えば、バー供給部等の一次供給部を介して)供給される場合、誘導コイルは、原料を融解形態に溶解し得る。インゴットが形成されるとき融解金属/合金の攪拌、および、融解金属/合金の特定の領域の一貫した加熱は、その他の既知のシステムと比較した場合、融解金属/合金のより優れた均一性につながり得る。 In particular, aspects of the present disclosure provide systems and methods for producing ingots with a reduced cross-sectional area. Raw materials for metals and / or alloys are fed into segmented molds. The metal / alloy raw material can be supplied in solid form or in molten form dissolved in a container such as a crucible. Induction coils provided around or below the vessel provide electromagnetic heating and / or agitation of the molten metal / alloy within the segmented mold. When the metal / alloy is fed into a segmented mold in solid form (eg, via a primary feed section such as a bar feed section), the induction coil can dissolve the raw material in melt form. Stirring of the molten metal / alloy when the ingot is formed, and consistent heating of a particular region of the molten metal / alloy, results in better uniformity of the molten metal / alloy when compared to other known systems. Can be connected.

開放頂部および開放底部のセグメント化された鋳型を有する真空冶金溶解システムのいくつかの実装において、鋳型内に鋳造されたインゴットは、セグメント化された鋳型の周囲に少なくとも部分的に配列されている加熱誘導コイルにより、インゴットの頂部が融解状態を維持されている間に、鋳型の底部から回収される。いくつかの局面において、鋳型の開放頂部は、入力端部として参照され得、鋳型の開放底部は、抽出端部として参照され得る。インゴットの頂部をセグメント化された鋳型内に保つことにより、インゴットに追加された追加的な融解金属/合金は、強力な均一の結合を形成する可能性がより高くなり、それにより、最小限の機械的不具合またはその他の望ましくない不備を有するインゴットの一部となる可能性がより高くなる。したがって、インゴットの頂部を加熱することは、インゴットがセグメント化された鋳型内のどこに位置付けられるかを問わず、単一の操作または連続的な操作で高品質のインゴットを生成するために有利である。 In some implementations of vacuum metallurgical melting systems with open top and open bottom segmented molds, the ingots cast in the mold are heated, at least partially aligned around the segmented mold. The induction coil is removed from the bottom of the mold while the top of the ingot remains in a molten state. In some aspects, the open top of the mold can be referred to as the input end and the open bottom of the mold can be referred to as the extraction end. By keeping the top of the ingot in a segmented mold, the additional molten metal / alloy added to the ingot is more likely to form a strong uniform bond, thereby minimizing it. It is more likely to be part of an ingot with mechanical defects or other unwanted deficiencies. Therefore, heating the top of the ingot is advantageous for producing high quality ingots in a single or continuous operation, regardless of where the ingot is located within the segmented mold. ..

溶解容器(代替的に、坩堝としても参照される)は、供給材料がセグメント化された鋳型へと供給される前に、供給材料の金属/合金を、融解金属/合金へと溶解するために使用され得る。供給材料は、適切な手段(例えば、バー供給部によって押されること、または、バルク供給部によって落下させられること等)により、溶解容器が供給位置および/または溶解位置にある状態で溶解容器に入る。いくつかの実施形態において、プラズマアークトーチは、底部の未溶解スカル(skull)および頂部の融解プールを維持している溶解容器内の供給材料を溶解させる。融解容器の融解内容物は、溶解容器を送達位置に移動させ、かつ、融解内容物(代替的に、「溶解物」としても参照される)を注入切込み部を通して傾斜注入することにより、鋳型へと移送され得る。溶解容器の融解内容物が移送されると、溶解容器は、供給位置および/または溶解位置へと戻され得、より固形化した材料が、後続の溶解のために溶解容器の中へと向けられる。 A melting vessel (alternatively also referred to as a crucible) is used to dissolve the metal / alloy of the feed material into the molten metal / alloy before the feed material is fed into the segmented mold. Can be used. The feed material enters the dissolution vessel with the dissolution vessel in the supply and / or dissolution position by appropriate means (eg, pushed by the bar supply or dropped by the bulk supply). .. In some embodiments, the plasma arc torch dissolves the feed material in a melting vessel that maintains an undissolved skull at the bottom and a melting pool at the top. The melted contents of the melting vessel are moved into the mold by moving the melting vessel to the delivery position and injecting the melted contents (alternatively also referred to as "dissolved matter") through the injection notch. Can be transferred. Once the melted contents of the dissolution vessel have been transferred, the dissolution vessel can be returned to the supply and / or dissolution position and the more solidified material is directed into the dissolution vessel for subsequent dissolution. ..

別の実施形態においては、電子ビーム銃が、水冷銅製溶解容器内で金属および/合金を溶解させるために使用され得る。そして、水冷銅製溶解容器は、融解金属/合金を鋳型の中へと傾斜注入し得る。さらなる実施形態において、溶解容器は、誘導溶解坩堝であり得、溶解容器は、金属および/合金を溶解するために、誘導加熱コイル(セグメント化された鋳型に結合された誘導加熱コイルとは別個かつ異なるもの)に結合され得る。誘導溶解坩堝は、傾斜させられて、融解金属/合金を鋳型の中へと注入し得る。上記実施形態において、プラズマアークトーチ、電子ビーム銃、および溶解容器/坩堝のための誘導加熱コイルの各々は、供給材料を溶解させることに専用化された電力源によって電力供給され得る。供給材料が融解材料である実施形態において、融解材料は、最小限のこぼれ出し(例えば、溶解容器の一端部における注入切込み部を通したこぼれ出し)で、小さな断面積サイズの鋳型の中へと向けられる。低減された断面積の鋳型に対し、指向性熱源(例えば、プラズマアークトーチ等)が、鋳型の頂部における材料を加熱するために使用されるとした場合、プラズマアークの直径は、鋳型そのものを破壊するリスクを冒すために十分に大きくあり得る。 In another embodiment, an electron beam gun can be used to melt the metal and / alloy in a water-cooled copper melting vessel. The water-cooled copper melting vessel can then incline the molten metal / alloy into the mold. In a further embodiment, the melting vessel can be an induction melting crucible, which is separate from the induction heating coil (separate from the induction heating coil coupled to the segmented mold) to melt the metal and / alloy. Can be combined with different ones). The inductive melting crucible can be tilted to inject the molten metal / alloy into the mold. In the above embodiment, each of the plasma arc torch, the electron beam gun, and the induction heating coil for the melting vessel / crucible can be powered by a power source dedicated to melting the feed material. In embodiments where the feed material is a melting material, the melting material spills into a small cross-sectional area size mold with minimal spills (eg, spills through the injection notch at one end of the melting vessel). Be directed. For a mold with a reduced cross-sectional area, if a directional heat source (eg, plasma arc torch, etc.) is used to heat the material at the top of the mold, the diameter of the plasma arc will destroy the mold itself. Can be large enough to take the risk of doing so.

代替的な実施形態において、セグメント化された鋳型へと提供される供給材料は、固体形態の金属/合金であり得、これは、セグメント化された鋳型内で溶解される。いくつかの局面において、金属/合金は、指向性加熱装置(例えば、セグメント化された鋳型の開放頂部の上方に位置付けられたプラズマアークトーチまたは電子ビーム銃等)により、セグメント化された鋳型内で溶解され得る。その他の局面において、金属/合金は、セグメント化された鋳型の周囲に部分的に位置付けられ配列された加熱誘導コイルにより、セグメント化された鋳型内で溶解され得る。 In an alternative embodiment, the feed material provided to the segmented mold can be a metal / alloy in solid form, which is dissolved within the segmented mold. In some aspects, the metal / alloy is placed in a segmented mold by a directional heating device (eg, a plasma arc torch or electron beam gun located above the open top of the segmented mold). Can be dissolved. In other aspects, the metal / alloy can be melted in the segmented mold by a heating induction coil that is partially positioned and arranged around the segmented mold.

セグメント化された鋳型は、典型的には、銅から作製され、内的には水冷式であり得、流体が通過することを可能にしかつ熱交換導管を提供するために、鋳型の内部の少なくとも一部分を通して延びているチャネルを有する。いくつかの実施形態において、セグメント化された鋳型は、小さな断面積(いくつかの実装においては、約7.1平方インチ未満であり得る)を有する。鋳型のアスペクト比(すなわち、内部長を内径で割ったもの)は、約2:1から約10:1までの範囲であり得る。いくつかの例示的な実施形態において、セグメント化された水冷鋳型は、約53ミリメートル(53mm)の内径を有し得る。その他の実施形態において、セグメント化された水冷鋳型は、約50ミリメートルから約102ミリメートル(〜50mm−102mm)の内径を、その範囲内で、任意の増分、勾配で有し得る。 The segmented mold is typically made from copper and can be water-cooled internally, at least inside the mold to allow fluid to pass through and to provide a heat exchange conduit. It has a channel that extends through a portion. In some embodiments, the segmented mold has a small cross-sectional area (which, in some implementations, can be less than about 7.1 square inches). The aspect ratio of the mold (ie, the internal length divided by the inner diameter) can range from about 2: 1 to about 10: 1. In some exemplary embodiments, the segmented water-cooled mold can have an inner diameter of about 53 millimeters (53 mm). In other embodiments, the segmented water-cooled mold may have an inner diameter of about 50 mm to about 102 mm (~ 50 mm-102 mm) within that range, in any increment, gradient.

電力は、高周波数の誘導電源によってセグメント化された鋳型の一部分を包囲する誘導コイルに送達され得る。同調コンデンサは、最適な電力入力および溶解性能のための電源に負荷を同調させるために使用され得る(負荷は、一般的には、セグメント化された鋳型、それに収容されるインゴット、およびコイルを含むが、それらには限定されないと考えられる)。いくつかの局面において、同調コンデンサは、コンデンサを追加することによって変動させられ得る。負荷を同調させて、電源とのインピーダンス不整合を回避することは、最小量の入力電力で熱入力を最適化し得る。 Power can be delivered to an induction coil that surrounds a portion of the template segmented by a high frequency inductive power source. Tuning capacitors can be used to tune the load to a power source for optimal power input and melting performance (load generally includes a segmented mold, an ingot housed therein, and a coil. However, it is considered that they are not limited to them). In some aspects, the tuning capacitor can be varied by adding capacitors. Tuning the load to avoid impedance mismatch with the power supply can optimize the thermal input with the least amount of input power.

鋳造プロセスの間に、インゴットは、鋳型の底部から回収されるが、誘導コイルの近くのインゴットの頂部は、融解状態を維持される。本明細書中で議論されているセグメント化された鋳型の比較的小さな内径、および、真空冶金チャンバの壁(または蓋)からの限られた視野角に起因して、観察者または操作者が視覚的手段によって鋳型内のインゴットの位置を正確に決定することが実際には困難になり得る。しかしながら、誘導コイルに対する固定電力入力において、インゴットは、感知コイル(代替的に、センサ誘導コイルとしても参照される)を使用して、誘導コイルと同調コンデンサとの間の循環電流を監視することにより、電気的に感知され得る。誘導コイルと同調コンデンサとの間で振動する高周波数の電流に起因して、電気的に絶縁された感知コイルが、その電流を測定するために使用され得る。感知コイルは、セグメント化された鋳型を包囲する誘導コイルへのリード線のうちの1つの周囲に配置される。感知コイルは、真空冶金チャンバの外部に搭載され得るが、同調コンデンサと誘導コイルとの間に搭載され得る。そして、感知コイルは、誘導電源によって送達された高周波数の電流に対して定格化された電流メータに電気的に接続される。これは、誘導感知システムとして参照され得る。 During the casting process, the ingot is recovered from the bottom of the mold, but the top of the ingot near the induction coil remains in a molten state. Due to the relatively small inner diameter of the segmented molds discussed herein and the limited viewing angle from the wall (or lid) of the vacuum metallurgical chamber, the observer or operator can see. It can actually be difficult to pinpoint the position of the ingot in the mold by means of the tool. However, at a fixed power input to the induction coil, the ingot uses a sensing coil (also also referred to as a sensor induction coil) to monitor the circulating current between the induction coil and the tuning capacitor. , Can be electrically sensed. Due to the high frequency current oscillating between the induction coil and the tuning capacitor, an electrically isolated sensing coil can be used to measure that current. The sensing coil is placed around one of the leads to the induction coil that surrounds the segmented mold. The sensing coil can be mounted outside the vacuum metallurgical chamber, but can be mounted between the tuning capacitor and the induction coil. The sensing coil is then electrically connected to a current meter rated for the high frequency current delivered by the inductive power supply. This can be referred to as a guidance sensing system.

インゴットを適切なマニピュレータを用いて下方へと物理的に移動させること、または、融解材料を溶解容器から鋳型の頂部に追加することのいずれかにより、インゴットの頂部の位置が鋳型内で変化する際に、誘導コイルの電流が変化する。誘導電源が一定電力出力モードにおいて操作されるとすると、コイル電流は、最適な溶解条件のために必要とされる同調され較正された値から、予測可能な態様で変動する。鋳型(または鋳型の関連するセクション)が完全に一杯になっている場合、誘導コイル電流は、低値に到達する。鋳型(または鋳型の関連するセクション)がほぼ空の場合、誘導コイル電流は、高値に到達する。したがって、電流測定(電流振幅または電流周波数のいずれか、またはそれらの両方の測定であり得る)に基づいて、ならびに、インゴットがいかにして鋳型の中へと注入されるかについての理解、および/または、インゴットがいかにして鋳型から回収されるかについての理解に基づいて、鋳型内のインゴットの位置が決定され得る。インゴット鋳造プロセスのステージに依存して、インゴットは、鋳型内で、特定の処理操作のための所望の場所へと、さらに移動させられ得る。同様に、鋳型の中への供給材料の注入速度は、鋳型内のインゴットの決定された位置に基づいて調整され得る。 When the position of the top of the ingot changes within the mold either by physically moving the ingot downwards with a suitable manipulator or by adding the melting material from the melting vessel to the top of the mold. In addition, the current of the induction coil changes. Given that the inductive power source is operated in constant power output mode, the coil current will fluctuate in a predictable manner from the tuned and calibrated values required for optimum melting conditions. When the mold (or the relevant section of the mold) is completely full, the induction coil current reaches a low value. When the mold (or the relevant section of the mold) is nearly empty, the induction coil current reaches a high value. Therefore, based on current measurements (which can be measurements of current amplitude and / or current frequency, or both), and an understanding of how the ingot is injected into the mold, and / Alternatively, the position of the ingot in the mold can be determined based on an understanding of how the ingot is recovered from the mold. Depending on the stage of the ingot casting process, the ingot can be further moved within the mold to the desired location for a particular processing operation. Similarly, the rate of injection of feed material into the mold can be adjusted based on the determined position of the ingot in the mold.

図1Aおよび図1Bの両方において、全体のシステム100は、真空冶金チャンバ102に基づいている。真空冶金チャンバ102内には、材料供給104および水冷鋳型106が存在する。材料供給104は、材料供給104における材料(金属/合金)が、セグメント化された鋳型106へと提供される前に溶解されるシステムの一部であり得る。種々の局面において、材料供給104は、真空チャンバ102の完全に内部に配置され得、真空冶金チャンバ102の外部に配置され得、または、真空冶金チャンバ102の壁におけるポートとして配置され得る。いくつかの局面において、セグメント化された鋳型106は、水冷鋳型であり得る。多くの実施形態において、セグメント化された鋳型106は、真空冶金チャンバ102内で垂直に向けられた開放底部の鋳型である。材料供給の加熱は、供給加熱電源108を有し得る。供給加熱電源108は、種々の加熱デバイスに電力供給し得る。図1Aに示されている第1の実施形態において、供給加熱電源108は、二次加熱誘導コイル110に電力供給し得、該二次加熱誘導コイルは、誘導を通して金属/合金供給を加熱し得る。図1Bに示される第2の実施形態において、加熱電源108は、指向性加熱デバイス112に電力供給し得、該指向性加熱デバイスは、種々の実施形態においては、可動プラズマアークトーチまたは電子ビーム銃であり得る。二次加熱誘導コイル110または指向性加熱デバイス112のいずれかは、任意の所与のシステム100に対して個別的にまたは組み合わせで使用され得る。いくつかの実施形態において、金属/合金は、溶解物105として、融解形態で材料供給104からセグメント化された鋳型106へと供給される。その他の実施形態において、金属/合金は、未加工(固体)形態で材料供給104からセグメント化された鋳型106へと提供される。さらなる実施形態において、溶解物105は、例えば追加的な専用化された溶解炉床等の中間の容器において、または、1つ以上の精製炉床において、さらに処理され得る(不図示)。 In both FIGS. 1A and 1B, the entire system 100 is based on the vacuum metallurgical chamber 102. A material supply 104 and a water-cooled mold 106 are present in the vacuum metallurgical chamber 102. The material supply 104 may be part of a system in which the material (metal / alloy) in the material supply 104 is melted before being delivered to the segmented mold 106. In various aspects, the material supply 104 may be placed entirely inside the vacuum chamber 102, outside the vacuum metallurgical chamber 102, or as a port on the wall of the vacuum metallurgical chamber 102. In some aspects, the segmented mold 106 can be a water-cooled mold. In many embodiments, the segmented mold 106 is an open bottom mold oriented vertically within the vacuum metallurgical chamber 102. The heating of the material supply may have a supply heating power source 108. The supply heating power source 108 may supply power to various heating devices. In the first embodiment shown in FIG. 1A, the feed heating power source 108 may power the secondary heating induction coil 110, which may heat the metal / alloy supply through the induction. .. In a second embodiment shown in FIG. 1B, the heating power source 108 may power the directional heating device 112, which in various embodiments is a movable plasma arc torch or electron beam gun. Can be. Either the secondary heating induction coil 110 or the directional heating device 112 can be used individually or in combination for any given system 100. In some embodiments, the metal / alloy is fed as a melt 105 from the material supply 104 to the segmented mold 106 in a melted form. In other embodiments, the metal / alloy is provided in raw (solid) form from the material supply 104 to the segmented mold 106. In a further embodiment, the lysate 105 can be further processed, for example, in an intermediate vessel such as an additional specialized melting hearth, or in one or more purification hearths (not shown).

合金インゴットまたはその他の鋳物が所望される場合においては、未加工の金属/合金材料の正確な溶解および混合が極めて重要である。所望の混合を達成することは、材料供給104の体積が、溶解の間に原料の個別の断片を保持するために十分に大きく、かつ、金属/合金を効果的に予備混合し、原料特有の断片ごとの任意の小さな組成的変動を安定化させるためにも十分に大きい場合に、促進され得る。所望の混合は、高い融点の要素、構成要素、または合金の蓄積を回避するために、規則的に材料供給104を意図的に空にし、最小量のスカルを残すことによってさらに達成され得る。 Accurate melting and mixing of raw metal / alloy materials is crucial where alloy ingots or other castings are desired. Achieving the desired mixing means that the volume of the material supply 104 is large enough to hold individual fragments of the raw material during dissolution and the metal / alloy is effectively premixed to be raw material specific. It can be facilitated if it is large enough to stabilize any small compositional variation per fragment. The desired mixing can be further achieved by deliberately emptying the material supply 104 on a regular basis, leaving a minimum amount of skull, in order to avoid the accumulation of high melting point elements, components, or alloys.

材料供給104からの材料がセグメント化された鋳型106に提供されると、融解材料が、融解状態を保たれ得るか、または、材料供給104からの固体材料(または固体材料の任意の残余物)が、融解状態へと溶解され、インゴット114を形成する。インゴットは、水冷された鋳型壁116内で形成される。入口および出口を有する水源118が提供され、セグメント化された鋳型106へと接続されており、鋳型壁116の内部の少なくとも一部分を通って延びている。 When the material from the material supply 104 is provided in the segmented mold 106, the melted material can remain in a molten state or the solid material from the material supply 104 (or any residue of the solid material). Is melted into a thawed state, forming the ingot 114. The ingot is formed in the water-cooled mold wall 116. A water source 118 with inlets and outlets is provided, connected to a segmented mold 106 and extends through at least a portion of the interior of the mold wall 116.

インゴット位置アクチュエータ120は、インゴット114を水冷鋳型116内で移動させ得る。いくつかの局面において、インゴット位置アクチュエータ120は、回収ヘッド122を有し、該回収ヘッドは、金属/合金が材料供給104から固体または融解物として受け取られるかどうかを問わず、金属/合金が最初にセグメント化された鋳型106に入るときに、インゴット114を受け取るように構成されている。種々の実施形態において、回収ヘッド122は、蟻継ぎヘッド、ねじ切りされたヘッド、テーパ状ヘッド、またはねじ切りされたテーパ状ヘッドであり得る。インゴット位置アクチュエータ120は、セグメント化された鋳型106内でインゴット144を機械的に上下に移動させ得、インゴット114がセグメント化された鋳型106および真空冶金チャンバ102から完全に回収されるように後退し得る。 The ingot position actuator 120 may move the ingot 114 within the water-cooled mold 116. In some aspects, the ingot position actuator 120 has a recovery head 122 in which the metal / alloy is first received regardless of whether the metal / alloy is received from the material supply 104 as a solid or melt. It is configured to receive the ingot 114 as it enters the template 106 segmented into. In various embodiments, the recovery head 122 can be a dovetail head, a threaded head, a tapered head, or a threaded tapered head. The ingot position actuator 120 may mechanically move the ingot 144 up and down within the segmented mold 106 and retract so that the ingot 114 is completely recovered from the segmented mold 106 and the vacuum metallurgical chamber 102. obtain.

セグメント化された鋳型106は、種々の断面形状を有し得、特に、セグメント化された鋳型106は、円形の断面、多角形の断面、または丸みの付いた隅を有する多角形の断面を有し得る。なおもさらに、セグメント化された鋳型106は、一定の断面サイズまたは断面形状に限定されない。代替的に、セグメント化された鋳型106は、テーパ状であり得る。開示されたプロセスのために使用される所与のセグメント化された鋳型106は、所望の物品に依存して、多くの異なる可能な形状のうちの任意の1つを有し得る。セグメント化された鋳型106は、特定のパーツまたは複数のパーツを形成するように成形され得、または、特定のパーツまたは複数のパーツに変換され得る任意の予備形成された形状を形成するように成形され得る。その他の局面において、セグメント化された鋳型106のセグメントの間の空間は、セグメント化された鋳型106の主軸に沿って縦方向に延在するか、セグメント化された鋳型106の主軸に沿ったバンド内で水平方向に延在するか、あるいは、セグメント化された鋳型106の外部の周囲で繰り返し的なまたは規則的なパターンで延在し得る。 The segmented mold 106 can have a variety of cross-sectional shapes, in particular the segmented mold 106 has a circular cross-section, a polygonal cross-section, or a polygonal cross-section with rounded corners. Can be done. Furthermore, the segmented mold 106 is not limited to a constant cross-sectional size or cross-sectional shape. Alternatively, the segmented mold 106 can be tapered. A given segmented template 106 used for the disclosed process may have any one of many different possible shapes, depending on the desired article. The segmented mold 106 can be molded to form a particular part or multiple parts, or to form any preformed shape that can be transformed into a particular part or multiple parts. Can be done. In other aspects, the space between the segments of the segmented mold 106 extends vertically along the main axis of the segmented mold 106 or bands along the main axis of the segmented mold 106. It may extend horizontally within or in a repetitive or regular pattern around the outside of the segmented mold 106.

インゴット114は、誘導を通してインゴット114の少なくとも一部を融解状態に保つ一次加熱誘導コイル124によって部分的に融解および/または溶解された状態を保たれる。いくつかの局面において、一次加熱誘導コイル124は、水冷式のセグメント化された鋳型106の構成されたギャップを通過する渦電流によってインゴット114を加熱することが可能である。種々の実施形態において、一次加熱誘導コイル124は、セグメント化された鋳型106の全体またはセグメント化された鋳型106の領域を包囲し得るかまたは該全体または該領域に結合され得る。一次加熱誘導コイル124は、一次電気接続128を通して一次加熱電源126に電気的に結合され、該一次加熱電源によって電力供給される。一次加熱電源126は、AC電源またはDC電源のいずれかであり得、必要に応じて電力インバータまたは電力変換器を採用する。同調コンデンサ142は、一次加熱電源126と一次加熱誘導コイル124との間の回路に配置され得、システムの電気的負荷を同調させるように動作可能であり得る。 The ingot 114 is kept partially melted and / or melted by a primary heating induction coil 124 that keeps at least a portion of the ingot 114 in a melted state through induction. In some aspects, the primary heating induction coil 124 is capable of heating the ingot 114 by eddy currents passing through the configured gaps of the water-cooled segmented mold 106. In various embodiments, the primary heating induction coil 124 may surround or be coupled to the entire segmented template 106 or the region of the segmented template 106. The primary heating induction coil 124 is electrically coupled to the primary heating power supply 126 through the primary electrical connection 128 and is powered by the primary heating power supply. The primary heating power supply 126 can be either an AC power supply or a DC power supply, and employs a power inverter or a power converter as needed. The tuning capacitor 142 may be located in the circuit between the primary heating power supply 126 and the primary heating induction coil 124 and may be operational to tune the electrical load of the system.

感知コイル130は、一次加熱誘導コイル124と同調コンデンサ142との間の一次電気接続128の少なくとも一部分を包囲するように位置付けられ得る。感知コイル130は、一次加熱電源126と一次加熱誘導コイル124との間の一次電気接続128のリード線のうちの1つの周囲に配置されることのみが必要である。感知コイル130は、システムの負荷が変化する際に、一次電気接続128によって搬送される一次加熱誘導コイル124の電流の変動を検出し測定し得る誘導コイルである。特に、一次加熱誘導コイル124および同調コンデンサ142を流れる電流は、感知コイル130回路において比例する電流または周波数を誘導し、該比例する電流または周波数は、一次加熱誘導コイル124回路の負荷の変化を示す。感知コイル130は、一次加熱誘導コイル124とは別個の構造であり、一次加熱誘導コイル124に電力供給する役割または該一次加熱誘導コイルを調節する役割を有していない。いくつかの実施形態において、感知コイル130は、一次電気接続128の周囲に位置付けられた単一組コイルであり得るが、その他の実施形態においては、感知コイル130は、一次電気接続128に沿って配置された一連のまたは複数の個別のコイルであり得る。さらに、感知コイル130は、真空冶金チャンバ102の外部に配列され得る。 The sensing coil 130 may be positioned to surround at least a portion of the primary electrical connection 128 between the primary heating induction coil 124 and the tuning capacitor 142. The sensing coil 130 only needs to be located around one of the leads of the primary electrical connection 128 between the primary heating power supply 126 and the primary heating induction coil 124. The sensing coil 130 is an induction coil that can detect and measure fluctuations in the current of the primary heating induction coil 124 carried by the primary electrical connection 128 when the load of the system changes. In particular, the current flowing through the primary heating induction coil 124 and the tuning capacitor 142 induces a proportional current or frequency in the sensing coil 130 circuit, and the proportional current or frequency indicates a change in the load of the primary heating induction coil 124 circuit. .. The sensing coil 130 has a structure separate from that of the primary heating induction coil 124, and does not have a role of supplying electric power to the primary heating induction coil 124 or a role of adjusting the primary heating induction coil 124. In some embodiments, the sensing coil 130 may be a single set coil positioned around the primary electrical connection 128, whereas in other embodiments the sensing coil 130 is along the primary electrical connection 128. It can be a series or multiple individual coils arranged. Further, the sensing coil 130 may be arranged outside the vacuum metallurgical chamber 102.

電子的位置コントローラ132は、感知コイル130、インゴット位置アクチュエータ120、鋳型センサ138に電子的に結合され得、これらと通信し得る。感知コイル130は、電子的位置コントローラ132にフィードバック信号134を提供し得、フィードバック信号134は、一次加熱誘導コイル124の電流を示す。電子的位置コントローラ132は、感知コイル130によって検出された電流の変動を測定することを目的として、電流メータを含み得る。鋳型センサ138は、セグメント化された鋳型106に結合され得、鋳型の特性(例えば、温度等)を測定し得る。さらに、鋳型センサ138は、ビデオデバイスに結合され得、該ビデオデバイスは、セグメント化された鋳型106の頂部を観察し、インゴット114の形成を監視するように構成されている。電子的位置コントローラ132によって受信された信号および測定に基づいて、電子的位置コントローラ132は、インゴット位置アクチュエータ120に制御信号136を送信し得、インゴット位置アクチュエータ120に、セグメント化された鋳型106内でインゴット114の位置を上昇、下降、および/または維持するように命令し得る。いくつかの局面において、電子的位置コントローラ132は、自動閉ループ電気的制御デバイスを含み得、該自動閉ループ電気的制御デバイスは、最終的には感知コイル130のフィードバック信号134によって提供された電流の変動に基づいて、電気的制御信号136を用いてインゴット位置アクチュエータ120を操作するように構成されている。 The electronic position controller 132 can be electronically coupled to and communicate with the sensing coil 130, the ingot position actuator 120, and the mold sensor 138. The sensing coil 130 may provide a feedback signal 134 to the electronic position controller 132, which indicates the current of the primary heating induction coil 124. The electronic position controller 132 may include a current meter for the purpose of measuring fluctuations in the current detected by the sensing coil 130. The mold sensor 138 can be coupled to the segmented mold 106 and can measure the characteristics of the mold (eg, temperature, etc.). In addition, the template sensor 138 can be coupled to a video device, which is configured to observe the top of the segmented template 106 and monitor the formation of the ingot 114. Based on the signals and measurements received by the electronic position controller 132, the electronic position controller 132 may transmit a control signal 136 to the ingot position actuator 120 and into the ingot position actuator 120 within the segmented mold 106. The position of the ingot 114 may be ordered to rise, fall, and / or maintain. In some aspects, the electronic position controller 132 may include an auto-closed-loop electrical control device, which ultimately comprises the fluctuation of current provided by the feedback signal 134 of the sensing coil 130. Is configured to operate the ingot position actuator 120 using the electrical control signal 136.

制御インターフェース140は、システム100の種々の構成要素に結合され得、これらの種々の構成要素を制御し得る。制御インターフェース140は、器具類の操作を制御し、システムの測定を記録し得るマイクロプロセッサおよび処理デバイスを含み得る。制御インターフェース140は、人間の操作者が制御するためのユーザインターフェースおよび自動制御システムのいずれかまたは両方をさらに含み得る。供給加熱電源108、一次加熱電源126、電子的位置コントローラ132、およびインゴット位置アクチュエータ120に直接的または観察的に電子的に結合された制御インターフェース140は、セグメント化された鋳型106内のインゴット114の位置、セグメント化された鋳型106内の金属/合金の量、および一次加熱誘導コイル124によって生成されたエネルギーの強度またはインテンシティを命令および制御するために使用され得る。さらに、制御インターフェース140は、材料供給104、二次加熱誘導コイル110、および指向性加熱デバイス112のうちのいずれかまたは全てに直接的または間接的に電子的に結合され得、金属/合金材料の溶解ならびにセグメント化された鋳型106への金属/合金の入力を制御するように動作可能である。制御インターフェース140はまた、システム100を特徴付けるために使用され得、電流測定のベースラインを確立し、該ベースラインからの変動が、鋳型壁116内のインゴットの場所を決定するために使用され得る。 The control interface 140 can be coupled to various components of the system 100 and can control these various components. The control interface 140 may include a microprocessor and a processing device capable of controlling the operation of the appliance and recording the measurement of the system. The control interface 140 may further include one or both of a user interface and an automated control system for control by a human operator. The feed heating power supply 108, the primary heating power supply 126, the electronic position controller 132, and the control interface 140, which is electronically coupled directly or observably to the ingot position actuator 120, are of the ingot 114 in the segmented mold 106. It can be used to command and control the position, the amount of metal / alloy in the segmented mold 106, and the intensity or intensity of the energy produced by the primary heating induction coil 124. In addition, the control interface 140 may be electronically coupled directly or indirectly to any or all of the material supply 104, the secondary heating induction coil 110, and the directional heating device 112, of a metal / alloy material. It can operate to control the melting and input of the metal / alloy into the segmented mold 106. The control interface 140 can also be used to characterize the system 100, establish a baseline for current measurements, and variations from that baseline can be used to determine the location of the ingot within the mold wall 116.

適用時に、同調されたシステム100は、最適化された溶解条件およびインゴット114鋳造条件に設定される。金属/合金が、セグメント化された鋳型106に追加されると、システムの負荷が変化し、一次電気接続128によって搬送される一次加熱誘導コイル124の電流の対応する変化が、感知コイル130によって測定される。一般的に、セグメント化された鋳型106の測定領域が金属/合金で完全に一杯になっている状況において、一次加熱誘導コイル124の電流は、最低値に到達する;したがって、測定された電流が低いとき、セグメント化された鋳型106内のインゴットの位置は、高い。逆に、セグメント化された鋳型106の測定領域がほぼ空のとき、一次加熱誘導コイル124の電流は、最高値に到達する;したがって、測定された電流が高いとき、セグメント化された鋳型106内のインゴット114の位置は、低い。最低電流測定および最高電流測定は、一次加熱誘導コイル124によって加熱され包囲されたセグメント化された鋳型106の領域、ならびに、炉システム100の同調および較正に依存する。 At the time of application, the tuned system 100 is set to optimized melting conditions and ingot 114 casting conditions. When the metal / alloy is added to the segmented mold 106, the load on the system changes and the corresponding change in the current of the primary heating induction coil 124 carried by the primary electrical connection 128 is measured by the sensing coil 130. Will be done. Generally, in a situation where the measurement area of the segmented mold 106 is completely filled with metal / alloy, the current of the primary heating induction coil 124 reaches the lowest value; therefore, the measured current When low, the position of the ingot within the segmented mold 106 is high. Conversely, when the measurement area of the segmented mold 106 is almost empty, the current of the primary heating induction coil 124 reaches the highest value; therefore, when the measured current is high, within the segmented mold 106. The position of the ingot 114 is low. The minimum and maximum current measurements depend on the region of the segmented mold 106 heated and surrounded by the primary heating induction coil 124, as well as the tuning and calibration of the reactor system 100.

いくつかの実施形態において、セグメント化された鋳型106は、セグメント化された温度制御システムを有し得、該セグメント化された温度制御システムは、セグメント化された鋳型106が、例えば、特に融解材料が鋳型の中へと供給される場合に、底部において(例えば、水源118によって)冷却され、頂部において(例えば、一次加熱誘導コイル124によって)加熱されることを可能にする。これは、任意の所与の時間において固化プロセスにある材料の部分よりも上方に融解材料のある一定の深さを維持する。この融解ヘッドによって形成された圧力は、孔またはその他の不備(例えば、凝固収縮ボイド)が無いインゴット114の形成を保証することを助け得る。さらに、一次加熱誘導コイル124によって形成される一定の混合効果は、化学的に均一に融解プールを保証することを助け得、それにより、インゴット114の長さの全体に亘る化学的な均一性の度合いを保証し得る。また、インゴット114の固化された材料のうちのいくつかは、融解ヘッドによって再度溶解され得、融解ヘッドを用いて混合され得、インゴット114の均一性を追加する。 In some embodiments, the segmented template 106 may have a segmented temperature control system, the segmented temperature control system where the segmented template 106 is, for example, particularly a melting material. Allows to be cooled at the bottom (eg, by the water source 118) and heated at the top (eg, by the primary heating induction coil 124) when fed into the mold. This maintains a certain depth of molten material above the portion of the material that is in the solidification process at any given time. The pressure created by this melting head can help ensure the formation of the ingot 114 without holes or other imperfections (eg, coagulation shrinkage voids). In addition, the constant mixing effect formed by the primary heating induction coil 124 can help ensure a chemically uniform melting pool, thereby providing chemical uniformity over the length of the ingot 114. The degree can be guaranteed. Also, some of the solidified material of the ingot 114 can be remelted by the melting head and mixed using the melting head, adding to the uniformity of the ingot 114.

測定された電流値に基づいて、炉システム100は、鋳物の処理段階に依存して、さらなるアクションを取るように制御または操作され得る。例えば、測定された電流が最高値であるかまたはそれに近く、インゴット114がセグメント化された鋳型106の底部に向かっており、セグメント化された鋳型106が空であることを示す場合、金属/合金がインゴット114に追加され得、より長い鋳物を形成し得る。同様に、測定された電流が最低値であるかそれに近く、インゴット114がセグメント化された鋳型106のほとんどまたは全てを充填していることを示す場合、さらなる金属/合金の追加が停止され、インゴット位置アクチュエータ120が、回収ヘッド122を下向きに移動させ、セグメント化された鋳型106の開放底部から鋳造されたインゴット114を引き出すように操作され得る。同様に、一次加熱誘導コイル124に提供された電力は、セグメント化された鋳型106内のインゴット114の位置に基づいて調整され得る。 Based on the measured current values, the furnace system 100 can be controlled or manipulated to take further action, depending on the processing stage of the casting. For example, if the measured current is at or near the highest value and the ingot 114 is towards the bottom of the segmented mold 106, indicating that the segmented mold 106 is empty, then the metal / alloy. Can be added to the ingot 114 to form longer castings. Similarly, if the measured current is at or near the lowest value, indicating that the ingot 114 fills most or all of the segmented mold 106, the addition of additional metal / alloy is stopped and the ingot The position actuator 120 can be operated to move the recovery head 122 downwards and pull the cast ingot 114 out of the open bottom of the segmented mold 106. Similarly, the power provided to the primary heating induction coil 124 can be adjusted based on the position of the ingot 114 within the segmented mold 106.

したがって、製造の連続モード、半連続モード、バッチモード、または反復モードのいずれにおいても、インゴット位置アクチュエータ120は、インゴット114と結合し得る供給材料をセグメント化された鋳型106の頂部に正確に追加し、その結果、インゴットが均一な粒子構造を有し得るようにするその能力により、セグメント化された鋳型106から所望の長さの鋳造インゴット114を引き出し得る。 Thus, in any of the continuous, semi-continuous, batch, or iterative modes of manufacture, the ingot position actuator 120 accurately adds feed material capable of binding to the ingot 114 to the top of the segmented mold 106. As a result, the ability of the ingot to allow it to have a uniform particle structure allows the cast ingot 114 of the desired length to be withdrawn from the segmented mold 106.

図1Cは、インゴットを形成するための真空冶金システムの実施形態の概略図であり、図1Bに示されているような、指向性加熱デバイス112を伴う真空冶金チャンバ102の一般化された図として、炉システム100を表している。さらに図示されているのは、材料供給アクチュエータ144であり、該材料供給アクチュエータは、材料供給104にセグメント化された鋳型106内でインゴット114にするための原料を提供するように構成されている。またさらに図示されているのは、インゴット回収チャンバ146であり、該インゴット回収チャンバは、真空冶金チャンバ102に結合され得、該回収チャンバを通して、インゴット位置アクチュエータ120は、真空冶金チャンバ102からインゴット114を回収し得、該回収チャンバから、鋳造インゴット114が、さらなる産業上の使用または処理のために除去され得る。また、一次加熱電源126が図示されており、一次電気接続128および感知コイル130が、一次加熱電源126のハウジング内、または真空冶金チャンバ102に接続しているハウジング内に収容され得る。 FIG. 1C is a schematic representation of an embodiment of a vacuum metallurgy system for forming an ingot, as a generalized view of a vacuum metallurgical chamber 102 with a directional heating device 112, as shown in FIG. 1B. , Represents the furnace system 100. Further illustrated is a material supply actuator 144, which is configured to provide a raw material for making an ingot 114 in a mold 106 segmented into a material supply 104. Further illustrated is the ingot recovery chamber 146, which can be coupled to the vacuum metallurgical chamber 102, through which the ingot position actuator 120 moves the ingot 114 from the vacuum metallurgical chamber 102. It can be recovered and the cast ingot 114 can be removed from the recovery chamber for further industrial use or processing. Further, the primary heating power supply 126 is shown, and the primary electrical connection 128 and the sensing coil 130 may be housed in the housing of the primary heating power supply 126 or in the housing connected to the vacuum metallurgical chamber 102.

図2は、誘導感知システムを使用してインゴットを形成するためのプロセスを表すフローチャートである。ステップ200において、材料供給が準備され、該材料供給は、活性または耐火性の金属合金またはそれらの組み合わせを含む。材料供給のための原料は、その組成が所望の混合物または合金に対する許容可能な限界内にあるように、個別の量で準備される。原料の一般的な形態は、小型ディスク;シリンダ;ブロック;ホイル内に包装されて球を形成しているばらばらの材料;包装されていないばらばらの材料;所望の金属のスクラップ断片;金属または合金の混合物を含む。しかしながら、原料は、任意の適切な形態であり得る。これにより、原料は、任意の適切な方法(例えば、バー供給部によって押されること、バルク供給部によって落下させられること、または、ばらばらの材料の場合においては、ホッパーまたはスプーン型のキャニスタを通して供給され、その後、坩堝/容器の中へと落下させられること)によって坩堝/容器に入る。 FIG. 2 is a flow chart showing the process for forming an ingot using a guidance sensing system. In step 200, a material supply is prepared, the material supply comprising an active or refractory metal alloy or a combination thereof. Raw materials for material supply are prepared in individual quantities so that their composition is within acceptable limits for the desired mixture or alloy. Common forms of raw material are small discs; cylinders; blocks; loose materials that are packaged in foil to form spheres; unwrapped loose materials; scrap fragments of the desired metal; of metals or alloys. Contains the mixture. However, the raw material can be in any suitable form. This allows the raw material to be fed by any suitable method (eg, pushed by the bar feeder, dropped by the bulk feeder, or, in the case of disjointed materials, through a hopper or spoon-shaped canister. , Then it is dropped into the crucible / container) to enter the crucible / container.

ステップ202において、材料供給の金属/合金は、材料供給坩堝内に保持された材料供給を加熱する加熱手段(プラズマアークトーチ、電子ビーム銃、または、誘導加熱器を含み得るが、これらに限定されない)により、融解状態へと溶解される。合金インゴットが所望される状況に対し、原料の正確な溶解および混合は、極めて重要である。したがって、材料供給を保持する坩堝/容器の体積は、溶解の間に原料の個別の断片を保持するために十分に大きく、同時に、合金を効果的に予備混合し、断片ごとに原料に特有の任意の小さな組成的変動を安定化するためにも十分に大きくであるべきである。これは、高い融点の要素、構成要素、または合金の蓄積を回避するために、規則的に坩堝/容器を意図的に空にし、最小量のスカルを残すことによってさらに達成され得る。坩堝/容器は、合金を精製するために意図的に使用されることはないので、比較的長い耐久時間は要求されない。坩堝/容器の傾斜注入は、迅速な原料のターンオーバーを可能にし得、これにより、その後に鋳型に送達されるほぼ均一な液体を形成することを可能にし得る。 In step 202, the material supply metal / alloy may include, but is not limited to, heating means (plasma arc torch, electron beam gun, or induction heater) for heating the material supply held in the material supply crucible. ) Dissolves in a melted state. Accurate dissolution and mixing of raw materials is crucial for situations where alloy ingots are desired. Therefore, the volume of the crucible / container that holds the material supply is large enough to hold the individual pieces of raw material during melting, while at the same time effectively premixing the alloy, each piece unique to the raw material. It should be large enough to stabilize any small compositional variation. This can be further achieved by deliberately emptying the crucible / vessel regularly, leaving a minimum amount of skull, in order to avoid the accumulation of high melting point elements, components, or alloys. Crucibles / containers are not intentionally used to refine alloys, so relatively long endurance times are not required. Inclined injection of the crucible / vessel can allow for rapid raw material turnover, which can allow the formation of a nearly uniform liquid that is subsequently delivered to the mold.

ステップ204において、材料供給の金属/合金は、同調されたシステムの一部として鋳型へと提供され、金属/合金は、固体状態で(ステップ200から)または融解状態で(ステップ202から)のいずれかで受け取られ得る。材料供給が鋳型へと提供される前に溶解される実施形態において、十分な量の金属/合金が溶解され、容器の頂部に収集されると、容器は、所望の量の融解材料を鋳型の中へと注入するために、任意の適切なアクチュエータによって傾斜させられる。材料は、個別の量またはバッチで注入され得る。プロセスの代替的な実施形態において、融解状態で受け取られた金属/合金は、固体供給材料の残余物を維持し得る。ステップ206において、金属/合金は、鋳型を包囲しているかまたは鋳型の近くにある誘導加熱コイルを介して鋳型内で加熱され得る。誘導加熱コイルは、金属/合金を融解状態に維持し、同時に、鋳型内の材料供給の任意の固体断片を溶解するように、電力供給され得る。これにより、融解金属/合金は、鋳型内のインゴットを形成するか、または、鋳型内のインゴットに加わる。ステップ208において、誘導加熱コイルと該誘導加熱コイルに電力供給する電源との間の電流は、誘導加熱コイルおよびその電源によって形成される回路の負荷の変化を示す変動について測定され得る。一般的に、少なくとも1つのセンサコイルは、誘導加熱コイルとその電源との間の電流を測定するために位置付けられ、その電流において検出された電流振幅および電流周波数のいずれかまたは両方を、コントローラシステムに提供される電気的制御信号に変換するように構成される。ステップ210において、鋳型内のインゴットの位置(特に、インゴットの垂直場所)は、インゴット加熱コイルとその電源との間の電流の変動に基づいて決定され得る。 In step 204, the material feed metal / alloy is provided to the mold as part of a tuned system and the metal / alloy is either in the solid state (from step 200) or in the molten state (from step 202). Can be received at. In an embodiment in which the material supply is melted before it is delivered to the mold, when a sufficient amount of metal / alloy is melted and collected at the top of the container, the container will charge the desired amount of molten material to the mold. Tilt by any suitable actuator to inject into. The material can be injected in individual quantities or in batches. In an alternative embodiment of the process, the metal / alloy received in the molten state can retain the residue of the solid feed material. In step 206, the metal / alloy can be heated in the mold via an induction heating coil that surrounds or is near the mold. The induction heating coil can be powered to keep the metal / alloy in a molten state while at the same time melting any solid piece of material feed in the mold. This causes the molten metal / alloy to form an ingot in the mold or join the ingot in the mold. In step 208, the current between the induction heating coil and the power source that powers the induction heating coil can be measured for variations that indicate changes in the load of the induction heating coil and the circuitry formed by that power source. Generally, at least one sensor coil is positioned to measure the current between the induction heating coil and its power source, and either or both of the current amplitudes and current frequencies detected at that current are used in the controller system. It is configured to be converted into an electrical control signal provided in. In step 210, the position of the ingot in the mold, especially the vertical location of the ingot, can be determined based on the variation in current between the ingot heating coil and its power source.

ステップ212において、鋳型内のインゴットの場所は、例えば、物理的アクチュエータによって、鋳型内のインゴットを上昇、下降、またはそうでなければ配置するように、調整され得る。インゴットは、例えば、追加的な金属/合金が所望の態様でインゴットと結合し得るように、追加的な金属/合金を誘導加熱コイルの近くで受け取るために、追加的な金属/合金が鋳型に追加されることを可能にすることを目的として、鋳型内で移動させられ得る。換言すると、インゴットの頂部は、感知コイルからのフィードバック信号に基づいて自動的にまたは操作者の相互作用を通して手動的にのいずれかにより、一次加熱誘導コイルの近くに位置付けられ、それにより、融解を維持されるか、または、融解状態にさせられる。代替的に、インゴットは、鋳型からインゴットを回収するために移動させられ得る。換言すると、ある量の金属/合金が鋳型の中へと注入された後、インゴットは、下向きに移動させられ、次の量の材料が鋳型の中へと注入されるようにするために、鋳型の頂部により大きな開放空間を提供する。したがって、インゴットは、インゴットの固化された部分を任意の適切な手段(例えば、水圧式シリンダ、可動クランプ、プラーヘッド、または駆動ロール等)を用いて鋳型の底部の外へと引き出すことにより、鋳型内で連続的にまたは徐々にのいずれかにより低下させられる。また、インゴットは、インゴットの形成または延伸を継続するために、必要に応じて、鋳型内で上昇させられ得る。プロセスは、ステップ212から、ステップ204へと戻り、さらなる金属/合金を鋳型に追加し得、これにより、インゴットの長さを増大させ得る。代替的に、プロセスは、ステップ212から、ステップ214へと進み得、該ステップでは、インゴットが鋳型から回収される。 In step 212, the location of the ingot in the mold can be adjusted, for example, by a physical actuator to raise, lower, or otherwise position the ingot in the mold. The ingot has the additional metal / alloy in the mold to receive the additional metal / alloy near the induction heating coil, for example, so that the additional metal / alloy can bond with the ingot in the desired manner. It can be moved within the mold for the purpose of allowing it to be added. In other words, the top of the ingot is positioned near the primary heating induction coil, either automatically based on the feedback signal from the sensing coil or manually through operator interaction, thereby melting. It is maintained or allowed to melt. Alternatively, the ingot can be moved to retrieve the ingot from the mold. In other words, after a certain amount of metal / alloy has been injected into the mold, the ingot is moved downwards to allow the next amount of material to be injected into the mold. Provides a larger open space at the top of the. Therefore, the ingot is a mold by pulling the solidified portion of the ingot out of the bottom of the mold using any suitable means (eg, hydraulic cylinder, movable clamp, puller head, or drive roll, etc.). It is reduced either continuously or gradually within. Also, the ingot can be raised in the mold as needed to continue the formation or stretching of the ingot. The process can return from step 212 to step 204 to add additional metal / alloy to the mold, which can increase the length of the ingot. Alternatively, the process can proceed from step 212 to step 214, in which the ingot is removed from the mold.

本開示の方法に従って鋳造されたインゴットが、約7.1平方インチまたはそれ未満の小さな断面積を有し得ることが理解され得る。さらに、例示的なインゴットサイズは、直径が約2 1/8インチ、長さが120インチまたはそれより大きいサイズであり得る。本開示の方法によって生成されたインゴットは、所望の最終的なサイズおよび形状に非常に近くあり得、インゴットが固化および冷却する方法に関係する望ましくない鋳放し特徴を除去するために最小量の機械加工しか要求しない。換言すると、このプロセスは、所望の表面仕上げを有するバーを生成することを目的として、たとえあったとしても最小限の外径の表面機械加工しか必要としない、小径のインゴットを提供し得る。さらに、本開示の方法に従って鋳造されたインゴットは、所望の表面仕上げを伴ってより一貫して反復可能に生成され得、生成物ならびに方法およびシステムの効率性の両方を向上させる。さらに、小さな断面積を有するインゴットの表面積対体積比およびそれに関連付けられた冷却、ならびに、インゴット内で確立された温度勾配は、後処理の適用のために適した所望の粒径の鋳放しを有するインゴットにつながり得る。したがって、このプロセスによって生成されたいくつかのインゴットは、鋳放し条件で鍛造され得る。いくつかの例において、チタン合金のインゴットは、約100マイクロメートル(100mm)またはそれ未満の鋳放し粒径を有し得る。 It can be understood that ingots cast according to the methods of the present disclosure may have a small cross-sectional area of about 7.1 square inches or less. In addition, exemplary ingot sizes can be about 21/8 inch in diameter and 120 inches or larger in length. The ingots produced by the methods of the present disclosure can be very close to the desired final size and shape, and a minimal amount of machinery to remove unwanted as-cast features related to how the ingots solidify and cool. Only processing is required. In other words, this process may provide a small diameter ingot that requires minimal outer diameter surface machining, if any, with the goal of producing a bar with the desired surface finish. In addition, ingots cast according to the methods of the present disclosure can be produced more consistently and repeatedly with the desired surface finish, improving both the product and the efficiency of the method and system. In addition, the surface area to volume ratio of the ingot with a small cross-sectional area and the associated cooling, as well as the temperature gradient established within the ingot, have as-cast of the desired particle size suitable for post-treatment applications. Can lead to ingots. Therefore, some ingots produced by this process can be forged under as-cast conditions. In some examples, titanium alloy ingots can have an as-cast particle size of about 100 micrometers (100 mm) or less.

図3A〜3Gは、炉システムに対するセグメント化された水冷鋳型の種々の図である。具体的には:図3Aは、セグメント化された鋳型の側面図を示している;図3Bは、セグメント化された鋳型の上面図を示している;図3Cは、図3Bに示された線Bに沿ったセグメント化された鋳型の側方からの断面図を示している;図3Dは、図3Aに示された線Aに沿ったセグメント化された鋳型の側方からの断面図を示している;図3Eは、図3Aに示された線Cに沿ったセグメント化された鋳型の上方からの断面図を示しており、さらに、水冷構造を受け取り可能な鋳型内の空間を示している;図3Fは、セグメント化された鋳型の断面斜視図を示している;そして、図3Gは、鋳型と結合し得る水冷構造の斜視図を示している。 3A-3G are various views of segmented water-cooled molds for the furnace system. Specifically: FIG. 3A shows a side view of the segmented mold; FIG. 3B shows a top view of the segmented mold; FIG. 3C is the line shown in FIG. 3B. A side sectional view of the segmented mold along B is shown; FIG. 3D shows a lateral sectional view of the segmented mold along line A shown in FIG. 3A. 3E shows a cross-sectional view from above of the segmented mold along line C shown in FIG. 3A, and further shows the space in the mold that can receive the water-cooled structure. FIG. 3F shows a cross-sectional perspective view of the segmented mold; and FIG. 3G shows a perspective view of a water-cooled structure that can be coupled to the mold.

(例示的なインゴット位置較正データ)
以下の表1A〜1Dは、インゴット溶解物の頂部と鋳型内のインゴットの位置との間の関係を決定するために収集された例示的なデータを記録したものである。既に溶解されたインゴットのスタブが、切断され、鋳型の頂部から特定の距離に配置された。誘導電力が徐々に増大され、タンク回路が、ロゴウスキーベルト(Rogowski Belt)およびそれに関連付けられたデジタル読み取りを使用して測定された。誘導電源は、操作の「一定電力」モードに設定され、該モードは、最大のパーセンテージ(100%)の電力出力として示されている。試験が完了した後、チャンバが開放され、インゴットが除去され、インゴットの視覚的検査が行われた。
(Exemplary ingot position calibration data)
Tables 1A-1D below record the exemplary data collected to determine the relationship between the top of the ingot lysate and the position of the ingot in the mold. The already melted ingot stub was cut and placed at a specific distance from the top of the mold. The induced power was gradually increased and the tank circuit was measured using the Rogowski Belt and its associated digital reading. The inductive power supply is set to a "constant power" mode of operation, which mode is shown as the maximum percentage (100%) of the power output. After the test was completed, the chamber was opened, the ingot was removed and a visual examination of the ingot was performed.

試験のために使用されたシステムは、150kWで操作されたPillar Mark5電源、PAM−5信号モジュレータ、および53ミリメートル(53mm)の内径を有する鋳型(その内部でインゴットが鋳造された)を含んでいた。表1Aは、鋳型の頂部から7 1/8インチに位置付けられた長さが5 1/8インチの金属スタブから得られる試験を提供している。表1Bは、鋳型の頂部から8 1/2インチに位置付けられた長さが3 7/8インチの金属スタブから得られる試験を提供している。表1Cは、鋳型の頂部から5 1/4インチに位置付けられた長さが7インチの金属スタブから得られる試験を提供している。表1Dは、鋳型の頂部から6インチに位置付けられた長さが6インチの金属スタブから得られる試験を提供しており、金属の追加的なチャージが溶解され、鋳型内のインゴットの一部として鋳造するために追加された。
試験のために使用される金属スタブは、チタン−ニオビウム−モリブデン(TNM)合金から成っていた。鋳型内の材料を加熱する誘導コイルは、鋳型の開放頂部の近くに位置付けられていた。
The system used for the test included a Pillar Mark 5 power supply operated at 150 kW, a PAM-5 signal modulator, and a mold with an inner diameter of 53 mm (53 mm), in which an ingot was cast. .. Table 1A provides tests obtained from metal stubs with a length of 5 1/8 inch, located 7 1/8 inch from the top of the mold. Table 1B provides tests obtained from metal stubs with a length of 37/8 inches located 8 1/2 inches from the top of the mold. Table 1C provides tests obtained from metal stubs with a length of 7 inches, located 5 1/4 inch from the top of the mold. Table 1D provides tests obtained from a 6 inch long metal stub located 6 inches from the top of the mold, where the additional charge of metal is dissolved and as part of the ingot in the mold. Added for casting.
The metal stub used for the test consisted of a titanium-niobium-molybdenum (TNM) alloy. The induction coil that heats the material in the mold was located near the open top of the mold.

一般的に、試験は、鋳型が空になったときに、誘導加熱コイルとそれの電源との間の回路電流(代替的に、「タンク回路電流」としても参照される)が、約1,650Ampの最大値に到達し得ることを示した。インゴットの頂部が鋳型内でより高くなったとき、タンク回路電流は、約1,510Ampのベースライン値にあった。インゴットが鋳造されたとき(表1Dにて反映)、炉床から連続的に注入し、インゴットを適宜回収することにより、さらに低いタンク回路電流読み取りが観察され、最も低い記録された読み取りは1,420Ampであった。 Generally, the test shows that when the mold is emptied, the circuit current between the induction heating coil and its power supply (alternatively also referred to as "tank circuit current") is about 1, It was shown that the maximum value of 650 Amp can be reached. When the top of the ingot was higher in the mold, the tank circuit current was at a baseline value of about 1,510 Amp. When the ingot was cast (reflected in Table 1D), by continuously injecting from the hearth and collecting the ingot as appropriate, lower tank circuit current readings were observed, with the lowest recorded reading being 1, It was 420 Amp.

表1Aに見ることができるように、スタブを鋳型の頂部から7 1/8インチに位置付けることにより、インゴットの頂部における小さな融解プールがもたらされた。これは、スタブが、誘導加熱コイルに対して鋳型内で低く位置付けられたことを示している。インゴットの頂部における小さな融解プールは、鋳造インゴットに対する追加のためには十分または理想的では必ずしもなかったであろう。表1Bに見ることができるように、スタブを鋳型の長具から8 1/2インチに位置付けることにより、辛うじて融解インゴットの頂部がもたらされた。これは、スタブが誘導加熱コイルに対して鋳型内で非常に低く位置付けられたという示唆を補強するものである。図1Cに見ることができるように、スタブを鋳型の頂部から5 1/4インチに位置付けることにより、完全に融解インゴットの頂部がもたらされ、これにより、インゴットを鋳造するためにさらなる金属/合金を追加する用意ができた。 Positioning the stub 7/8 inch from the top of the mold, as can be seen in Table 1A, resulted in a small melting pool at the top of the ingot. This indicates that the stub was positioned lower in the mold with respect to the induction heating coil. A small melting pool at the top of the ingot would not necessarily be sufficient or ideal for addition to the cast ingot. Positioning the stub 8 1/2 inches from the mold length, as can be seen in Table 1B, barely resulted in the top of the melting ingot. This reinforces the suggestion that the stub was positioned very low in the mold with respect to the induction heating coil. As can be seen in FIG. 1C, positioning the stub 5 1/4 inch from the top of the mold results in a completely molten ingot top, which results in additional metal / alloy for casting the ingot. Ready to add.

表1Dに示されている試験に対し、システムの電力が85%に設定されている期間の間に追加的なアクションが取られた。具体的には:17.5分の時点において、プラズマアークトーチが開始された;19分の時点において、炉床内の金属チャージに対しプラズマアークトーチを用いて溶解が行われた;22.5分の時点において、炉床内のチャージが、完全に溶解しているとして決定され、続いて、インゴットを鋳造するために鋳型に追加された。表1Dに示されている試験、すなわち、スタブを鋳型の頂部から6インチに位置付け、追加的な融解材料を鋳型の中へと注入することは、およそ600nmの長さを有する鋳造インゴットをもたらした。インゴットは、後処理の適用のための許容可能な鋳放しの表面仕上げを有した。 For the tests shown in Table 1D, additional action was taken during the period when the system power was set to 85%. Specifically: At 17.5 minutes, the plasma arc torch was started; at 19 minutes, the metal charge in the hearth was melted using the plasma arc torch; 22.5. At the time of the minute, the charge in the hearth was determined to be completely melted and subsequently added to the mold for casting the torch. The test shown in Table 1D, that is, positioning the stub 6 inches from the top of the mold and injecting additional melting material into the mold resulted in a cast ingot with a length of approximately 600 nm. .. The ingot had an acceptable as-cast surface finish for post-treatment applications.

後続のインゴット鋳造試験は、融解プールが鋳型の頂部の近くであった場合に、タンク回路電流の読み取りが、(85%の誘導電力供給設定で)約1,350Ampであったことを明らかにした。しかしながら、融解プールは、適切な電力入力がないことに起因して固化を開始した。換言すると、インゴットが鋳型内で非常に高く位置付けられた場合、回路の負荷は、最適化されず、それにより、電力供給量をその最適な溶解範囲の外へと移動させた。 Subsequent ingot casting tests revealed that the tank circuit current reading was approximately 1,350 Amp (at 85% induced power supply setting) when the melting pool was near the top of the mold. .. However, the melting pool began to solidify due to the lack of proper power input. In other words, if the ingot was positioned very high in the mold, the load on the circuit was not optimized, thereby moving the power supply out of its optimal melting range.

本明細書中に提供されている例示的なデータは、開示された構造の詳細のみに限定ンされないことが理解される。むしろ、インゴットの頂部を鋳型内で完全に融解状態にし、その結果、追加的な金属/合金がインゴットと均一に結合し得るようにすることは、本開示と整合した、インゴットの長さ、金属および合金、電力設定、加熱の持続時間、および溶解システムの構成要素の構成を使用して達成され得る。 It is understood that the exemplary data provided herein are not limited to the disclosed structural details. Rather, allowing the top of the ingot to be completely melted in the mold so that additional metals / alloys can be uniformly bonded to the ingot is consistent with the present disclosure of ingot length, metal. And can be achieved using alloys, power settings, duration of heating, and composition of the components of the melting system.

さらに、電流の測定された変動が、溶解されている金属/合金の組成に基づいて変動し得ることが理解される。例えば、本明細書に開示された例示的な実施形態は、TNM合金を使用し、電流の対応する変化を測定したが、異なる金属または合金(例えば、動またはチタン−アルミニウム)から成るインゴットまたはチャージは、異なる電流特性を有し得る。したがって、溶解システムの較正および操作は、システムにおいて形成されたインゴットの金属間化合物の特性に基づいて変動し得る。 Further, it is understood that the measured fluctuations in current can fluctuate based on the composition of the metal / alloy being melted. For example, an exemplary embodiment disclosed herein uses a TNM alloy and measures the corresponding change in current, but an ingot or charge made of a different metal or alloy (eg, dynamic or titanium-aluminum). Can have different current characteristics. Therefore, the calibration and operation of the melting system can vary based on the properties of the intermetallic compounds of the ingot formed in the system.

本明細書に開示されたシステムおよび方法が、産業界において生成される、標準的なサイズのインゴットおよび低減されたサイズのインゴット、または、任意の幅/直径のインゴットに適用可能であり、インゴットが鋳型内に存在する間に鋳型内で鋳造された誘導コイルを用いて加熱されるインゴットの監視およびそれに関係する操縦を可能にすることが、さらに理解され得る。本システムおよび方法は、任意の長さ(システムの物理的サイズによって制約される)のインゴットを生成するために使用され得る。本システムおよび方法の幅広さは、産業界にわたって適用され得る。なぜなら、任意のサイズのインゴットに対し、鋳型内のインゴットの位置の正確な制御は、鋳放しのインゴットの粒子構造および/または表面仕上げを最適化することに役立ち得るからである。 The systems and methods disclosed herein are applicable to standard size and reduced size ingots or ingots of any width / diameter produced in the industry. It can be further understood that the induction coils cast in the mold while present in the mold allow the monitoring of the heated ingot and its associated maneuvering. The system and method can be used to generate ingots of any length (constrained by the physical size of the system). The breadth of systems and methods can be applied across industry. This is because precise control of the position of the ingot in the mold for ingots of any size can help optimize the particle structure and / or surface finish of the as-cast ingot.

システム、および特に制御インターフェースは、マイクロプロセッサを含み得、該マイクロプロセッサは、さらに、炉の器具類の操作を制御し、システムの測定を記録し得る、処理デバイスの構成要素であり得る。処理デバイスは、バスを介して不揮発性メモリデバイスに通信可能に結合され得る。不揮発性メモリデバイスは、電力がオフにされたときに格納された情報を維持する任意のタイプのメモリデバイスを含み得る。メモリデバイスの非限定的な例は、電気的に消去可能でプログラム可能な読み取り専用メモリ(「ROM」)、フラッシュメモリ、または、任意のタイプの不揮発性メモリを含む。いくつかの局面において、メモリデバイスの少なくともいくつかは、非一過性媒体またはメモリデバイスを含み得、処理デバイスは、該非一過性媒体またはメモリデバイスから命令を読み取り得る。非一過性のコンピュータ読み取り可能な媒体は、コンピュータ読み取り可能な命令またはその他のプログラムコードを処理デバイスに提供することが可能な、電子的格納デバイス、磁気的格納デバイス、またはその他の格納デバイスを含み得る。非一過性のコンピュータ読み取り可能な媒体の非限定的な例は、磁気的ディスク(単数または複数)、メモリチップ(単数または複数)、ROM、ランダムアクセスメモリ(「RAM」)、ASIC、構成されたプロセッサ、光学的格納装置、および/または、その他の媒体(コンピュータプロセッサは、そこから命令を読み取り得る)を含む(しかし、これらに限定されるものではない)。命令は、任意の適切なコンピュータプログラミング言語(例えば、C、C++、C♯、Java(登録商標)、Python, Perl,JavaScript(登録商標)等を含む)で書かれたコードからコンパイラおよび/またはインタプリタによって生成されるプロセッサ特異命令を含み得る。 The system, and in particular the control interface, may include a microprocessor, which may also be a component of a processing device capable of controlling the operation of furnace appliances and recording system measurements. The processing device may be communicably coupled to the non-volatile memory device via the bus. Non-volatile memory devices can include any type of memory device that retains the stored information when power is turned off. Non-limiting examples of memory devices include electrically erasable and programmable read-only memory (“ROM”), flash memory, or any type of non-volatile memory. In some aspects, at least some of the memory devices may include a non-transient medium or memory device, and the processing device may read instructions from the non-transient medium or memory device. Non-transient computer-readable media include electronic storage devices, magnetic storage devices, or other storage devices capable of providing computer-readable instructions or other program code to processing devices. obtain. Non-transient examples of non-transient computer-readable media include magnetic disks (s), memory chips (s), ROMs, random access memory (“RAM”), ASICs, and configurations. Includes (but is not limited to) processors, optical storage devices, and / or other media (computer processors may read instructions from them). Instructions are compilers and / or interpreters from code written in any suitable computer programming language, including, for example, C, C ++, C #, Java®, Python, Perl, Javascript®, etc. May include processor-specific instructions generated by.

上記の記載は、例示的なものであって限定的なものではなく、本開示に接した当業者には明らかになり得るように、本発明は、本発明の本質的な特性から逸脱することなしに、その他の特定の形態で具現化され得る。例えば、上述された局面のうちの任意のものは、それぞれが局面のサブセットを有している1つまたはいくつかの異なる構成へと組み合され得る。さらに、上記の記載の全体を通して、例示を目的として、多くの特定の詳細が、本発明の完全な理解を提供するために述べられた。しかしながら、当業者にとっては、これらの実施形態が、これらの特定の詳細のうちのいくつかが無くても実施され得ることが明らかであり得る。これらの他の実施形態は、本発明の趣旨および範囲内に含まれることが意図される。したがって、本発明の開示は、それ故、上記の記載を参照することのみによって決定されるべきではなく、むしろ、以下の係属クレームをそれらの法的な均等物の全体的な範囲とともに参照することによって決定されるべきである。

The above description is exemplary and not limiting, and the invention deviates from the essential properties of the invention, as will be apparent to those skilled in the art who have come into contact with the present disclosure. Without, it can be embodied in other specific forms. For example, any of the aspects described above can be combined into one or several different configurations, each having a subset of the aspects. In addition, throughout the above description, for illustrative purposes, many specific details have been stated to provide a complete understanding of the invention. However, it may be apparent to those skilled in the art that these embodiments may be practiced without some of these particular details. These other embodiments are intended to be included within the spirit and scope of the present invention. Therefore, the disclosure of the present invention should therefore not be determined solely by reference to the statements above, but rather to reference the following pending claims along with the overall scope of their legal equivalents. Should be determined by.

Claims (19)

真空冶金システムであって、前記システムは、
入力端部および抽出端部を有するセグメント化された鋳型であって、融解された金属または合金を受け取り、インゴットへと鋳造するように構成されているセグメント化された鋳型と、
前記セグメント化された鋳型の周囲に少なくとも部分的に位置付けられた一次加熱誘導コイルであって、前記セグメント化された鋳型の内部領域内に熱を誘導するように構成されている一次加熱誘導コイルと、
前記一次加熱誘導コイルに電気的に結合され、かつ、前記一次加熱誘導コイルに電力供給する加熱電源と、
少なくとも前記一次加熱誘導コイルおよび前記加熱電源を含む電気回路を同調させるように構成されている同調コンデンサであって、前記セグメント化された鋳型内で前記金属または合金を融解するための電力レベルを最適化するようにさらに構成されている同調コンデンサと、
前記同調コンデンサと前記一次加熱誘導コイルとの間の電気的コンダクタの周囲に少なくとも部分的に位置付けられた少なくとも1つの感知コイルと、
前記インゴットおよび/または融解された金属または合金を前記セグメント化された鋳型内で支持および移動させるように位置付けられたインゴット位置アクチュエータと、
前記少なくとも1つの感知コイル前記インゴット位置アクチュエータとの間に直列に動作可能に結合されたインゴット位置コントローラであって、前記インゴット位置コントローラは、前記少なくとも1つの感知コイルによって検出された電流の変化を測定することと、融解された金属または合金を前記セグメント化された鋳型内で移動させるように前記インゴット位置アクチュエータに命令することとを行うように構成されているインゴット位置コントローラと
を含む、システム。
It is a vacuum metallurgical system, and the system is
A segmented mold having an input end and an extraction end receives the molten metal or alloy, and the mold segmented is configured to cast into ingots,
A primary heating induction coil that is at least partially positioned around the segmented mold and is configured to induce heat within the internal region of the segmented mold. ,
A heating power source that is electrically coupled to the primary heating induction coil and supplies electric power to the primary heating induction coil.
A tuning capacitor configured to tune at least the primary heating induction coil and the electrical circuit containing the heating power source, with optimal power levels for melting the metal or alloy within the segmented mold. With a tuning capacitor that is further configured to
With at least one sensing coil located at least partially around the electrical conductor between the tuning capacitor and the primary heating induction coil.
And the ingot position actuator positioned so as to support and move the ingot and / or molten metal or alloy in said segmented in the mold,
An ingot position controller operably coupled in series between the at least one sensing coil and the ingot position actuator , wherein the ingot position controller detects a change in current detected by the at least one sensing coil. and measuring, is configured to melting metal or alloy performed and that instructs the ingot position actuator to move in a mold that is the segmented, and a ingot position controller, the system ..
金属および/または合金を固体形態または融解形態のいずれかまたは両方で前記セグメント化された鋳型の前記入力端部に提供するように構成されている材料供給をさらに含む、請求項1に記載のシステム。 The system of claim 1, further comprising a material supply configured to provide the metal and / or alloy in either or both solid and melt forms to the input end of the segmented mold. .. 前記材料供給は、
前記セグメント化された鋳型の前記入力端部の近くに位置付けられた坩堝であって、融解された金属または合金を前記セグメント化された鋳型の中に提供するように構成されている坩堝と、
前記坩堝内で金属または合金を溶解するように構成されている坩堝加熱システムと、
前記坩堝加熱システムに電気的に結合されている二次電源であって、前記坩堝加熱システムに電力供給す二次電源と
をさらに含む、請求項2に記載のシステム。
The material supply
A crucible positioned in the vicinity of the input end of the segmented mold, the crucible being configured to provide a molten metal or alloy into said segmented mold,
A crucible heating system configured to melt a metal or alloy in the crucible.
Wherein the crucible heating system a secondary power source which is electrically coupled, further comprising a secondary power source and you power to the crucible heating system, according to claim 2 system.
前記坩堝加熱システムは、可動プラズマアークトーチ、電子ビーム銃、二次加熱誘導コイル、またはこれらの組み合わせをさらに含む、請求項3に記載のシステム。 The crucible heating system, movable plasma arc torch, the electron beam gun, the secondary heating induction coil, or further combinations thereof, according to claim 3 system. 前記セグメント化された鋳型は、垂直に向けられ、かつ、前記セグメント化された鋳型の主軸に沿って延びているセグメンテーションを有する、請求項1に記載のシステム。 The system of claim 1, wherein the segmented mold has segmentation that is oriented vertically and extends along the main axis of the segmented mold. 前記少なくとも1つの感知コイルは、前記加熱電源と前記少なくとも1つの一次加熱誘導コイルとの間の前記電気的コンダクタ内で検出された電流振幅および電流周波数のいずれかまたは両方を、前記インゴット位置コントローラに提供される電気的制御信号に変換するように構成されている、請求項1に記載のシステム。 The at least one sensing coil transfers any or both of the current amplitudes and current frequencies detected in the electrical conductor between the heating power source and the at least one primary heating induction coil to the ingot position controller. The system according to claim 1, which is configured to convert to an electrical control signal provided. 前記感知コイルの電気的制御信号は、前記インゴットの頂部が前記一次加熱誘導コイルの近くに位置付けられ、それにより、融解されるように、前記インゴットを前記セグメント化された鋳型内で移動させるように、前記インゴット位置アクチュエータを自動的に操縦するために前記インゴット位置コントローラによって使用される、請求項6に記載のシステム。 The electrical control signal of the sensing coil is such that the top of the ingot is positioned near the primary heating induction coil, thereby moving the ingot within the segmented mold so that it is melted. 6. The system of claim 6, which is used by the ingot position controller to automatically steer the ingot position actuator. 前記感知コイルの電気的制御信号は、前記インゴットの頂部が前記一次加熱誘導コイルの近くに位置付けられ、それにより、融解されるように、前記インゴットを前記セグメント化された鋳型内で移動させるように、前記インゴット位置アクチュエータを操縦するために操作者の相互作用を介して使用される、請求項6に記載のシステム。 The electrical control signal of the sensing coil is such that the top of the ingot is positioned near the primary heating induction coil, thereby moving the ingot within the segmented mold so that it is melted. 6. The system of claim 6, which is used through operator interaction to steer the ingot position actuator. 前記セグメント化された鋳型は、45.81平方センチメートル(7.1平方インチまたはそれ未満の断面積を有する、請求項1に記載のシステム。 The system of claim 1, wherein the segmented mold has a cross-sectional area of 45.81 square centimeters ( 7.1 square inches ) or less. 前記セグメント化された鋳型は、7.62センチメートル(3インチまたはそれ未満の幅を有する、請求項1に記載のシステム。 The system of claim 1, wherein the segmented mold has a width of 7.62 centimeters ( 3 inches ) or less. 真空冶金システムの鋳型内のインゴットの位置を決定するための方法であって、前記方法は、
金属および/または合金をセグメント化された鋳型の中に提供することであって、前記セグメント化された鋳型は、開放頂部および開放底部の鋳型である、ことと、
前記セグメント化された鋳型内の金属および/または合金を加熱誘導コイルを用いて加熱することであって、前記加熱誘導コイルおよび高周波数電源は、同調コンデンサに電気的に接続されており、前記同調コンデンサは、前記セグメント化された鋳型内で前記金属または合金を融解するための電力レベルを最適化するようにさらに構成されている、ことと、
融解された金属および/または合金を融解状態に維持し、前記セグメント化された鋳型内の前記金属および/または合金の任意の固体部分を溶解して融解状態にすることと、
前記融解された金属および/または合金を用いて前記セグメント化された鋳型内にインゴットを形成することと、
感知コイルを用いて前記セグメント化された鋳型内の前記インゴットの位置を決定することであって、前記感知コイルは、電子的位置コントローラに直列に接続されており、前記電子的位置コントローラは、前記同調コンデンサと前記加熱誘導コイルとの間に位置付けられており、かつ、前記感知コイルによって検出された電流の変化を測定するように構成されている、こと
を含む、方法。
A method for determining the position of an ingot in a mold of a vacuum metallurgical system.
The metal and / or alloy is provided in a segmented mold, wherein the segmented mold is an open top and open bottom mold.
By heating the metal and / or alloy in the segmented mold with a heating induction coil , the heating induction coil and high frequency power supply are electrically connected to a tuning capacitor and said tuning. The capacitor is further configured to optimize the power level for melting the metal or alloy within the segmented mold .
And that the molten metal and / or alloy is maintained in the molten state, by dissolving any solid portion of the metal and / or alloy in the mold which is the segmented into a molten state,
And forming an ingot in the segmented within the mold with the molten metal and / or alloy,
The sensing coil is used to determine the position of the ingot in the segmented mold, the sensing coil being connected in series with an electronic position controller, the electronic position controller being the said. A method that is positioned between a tuning capacitor and the heating induction coil and is configured to measure changes in current detected by the sensing coil .
記方法は、
前記セグメント化された鋳型内での溶解のために電力レベルを最適化するように、前記加熱誘導コイル前記セグメント化された鋳型およびその内容物前記高周波数電源とを含む電気回路同調させること
をさらに含む、請求項11に記載の方法。
Before SL method,
To optimize the power levels for dissolution in the mold which is the segmented, to tune the electrical circuit including the heating induction coil and the segmented mold and its contents and the high frequency power supply The method of claim 11, further comprising:
前記感知コイルは、前記加熱誘導コイルと前記同調コンデンサとの間のコンダクタにおける電流を検出するように構成されており、前記加熱誘導コイルおよび前記同調コンデンサを流れる電流は、前記感知コイルおいて比例する電流または周波数を誘導する、請求項12に記載の方法。 The sensing coil is configured to detect the current in the conductor between the tuning capacitor and the heating induction coil, current through the heating induction coil and the tuning capacitor, Oite proportional to the sensing coil The method of claim 12, wherein the current or frequency of the coil is induced. 前記方法は、
前記電子的位置コントローラが、前記感知コイルにおいて検出された前記電流を電気的制御信号に変換することと、
記セグメント化された鋳型内の前記インゴットを前記加熱誘導コイルの近くに移動させるようにインゴット位置アクチュエータに命令することと、
前記インゴットの頂部を融解状態に維持することと
をさらに含む、請求項11に記載の方法。
The method is
The electronic position controller converts the current detected in the sensing coil into an electrical control signal.
And instruct the ingot position actuator to move the ingot before Symbol segmented within the mold in the vicinity of the heating induction coil,
11. The method of claim 11 , further comprising keeping the top of the ingot in a molten state.
前記電子的位置コントローラは、操作者の相互作用を介して前記インゴット位置アクチュエータに命令する、請求項14に記載の方法。 14. The method of claim 14, wherein the electronic position controller commands the ingot position actuator via operator interaction. 前記電子的位置コントローラは、自動フィードバックループを介して前記インゴット位置アクチュエータに命令する、請求項14に記載の方法。 14. The method of claim 14, wherein the electronic position controller commands the ingot position actuator via an automatic feedback loop. 前記方法は、
前記電子的位置コントローラが、前記感知コイルにおいて検出された前記電流を電気的制御信号に変換することと、
前記加熱誘導コイルに供給される電力を調整することにより、前記セグメント化された鋳型内の前記金属および/または合金を加熱する度合いを変化させることと
をさらに含む、請求項11に記載の方法。
The method is
The electronic position controller converts the current detected in the sensing coil into an electrical control signal.
11. The method of claim 11 , further comprising varying the degree to which the metal and / or alloy in the segmented mold is heated by adjusting the power supplied to the heating induction coil.
前記方法は、前記セグメント化された鋳型内の前記インゴットの前記決定された位置に基づいて、前記セグメント化された鋳型の中への融解された金属および/または合金の注入速度を調整することをさらに含む、請求項11に記載の方法。 The method, based on the determined position of the ingot of the segmented within the mold, adjusting the injection rate of molten metal and / or alloy into said segmented mold The method of claim 11, further comprising. 前記方法は、前記インゴットを前記セグメント化された鋳型から回収することをさらに含み、前記インゴットは、45.81平方センチメートル(7.1平方インチ)またはそれ未満の断面積を有する、請求項11に記載の方法。 11. The method of claim further comprises recovering the ingot from the segmented mold, wherein the ingot has a cross-sectional area of 45.81 square centimeters (7.1 square inches) or less. the method of.
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